Digital twin, il ponte sostenibile tra mondo fisico e virtuale! La visione di Siemens

Come può un’azienda manifatturiera essere efficiente e flessibile, e al contempo promuovere la sostenibilità? La multinazionale tedesca Siemens (che ha in Italia Giuliano Busetto come head of digital industries) ha promosso ad Hannover Messe, la più importante fiera mondiale dell’automazione, (12-16 aprile) una speciale metodologia. Al motto “Infinite opportunità da dati infiniti”, Siemens propone di collegare in un loop continuo il mondo fisico, e cioè l’insieme di dati che sono generati dalla macchina e dall’intero ciclo di vita del prodotto, con quello virtuale, e cioè con le informazioni relative alle repliche digitali degli asset materiali.

Protagonisti sono l’intelligenza artificiale e soprattutto il digital twin, il simulatore parte del portafoglio Digital Enterprise. Nella concezione di Siemens il gemello digitale non riguarda solo il prodotto o la macchina, ma i processi e anche le performance. Nel ciclo continuo, è possibile migliorare con costanza l’efficienza dei sistemi produttivi; e promuovere la sostenibilità, ad esempio con la stima del footprint di un bene. Altre tecnologie che concorrono al ciclo continuo sono l’Industrial 5G, per il rapido trasferimento dei dati, e l’Industrial Edge, per un’efficace elaborazione delle informazioni “sul campo”.

Parte della metodologia è anche la convergenza dei mondi IT e OT e cioè l’interoperabilità tra la rete industriale, grazie alla quale un’azienda può gestire l’attività di una pluralità di macchinari e di processi, e quella IT, che serve a memorizzare, recuperare, trasmettere e elaborare dati. La comunicazione biunivoca tra questi due ambienti consente un controllo serrato sullo shopfloor, e quindi flessibilità, e cioè la capacità di riconfigurare velocemente la produzione. Ne ha parlato il ceo globale di Siemens Digital Industries (nonché membro del managing board della multinazionale) Cedrik Neike nel corso di una conferenza collegata all’evento fieristico.

Digital twin (anche “sostenibili”) che realizzano l’unione tra mondi virtuali e reali

1. Digital twin sempre più “comprehensive”

Si accennava ai digital twin. Il gemello digitale è un simulatore, è l’alter ego di dispositivi, infrastrutture, sistemi, prodotti e processi industriali. Grazie alla raccolta e all’elaborazione di dati, la copia virtuale che ne deriva è una rappresentazione tridimensionale dell’oggetto in tutte le sue caratteristiche funzionali, dall’elettronica alla meccanica, dalla fluidica alla geometria. In linea generale, esistono tre tipi di gemelli digitali, ovvero di prodotto, di produzione e di prestazioni.

I primi realizzano una connessione tra prodotto virtuale e fisico, per analizzarne le prestazioni in varie condizioni e apportare modifiche nell’ambiente simulato per assicurare che il bene fisico si comporti esattamente come previsto. I secondi consentono di convalidare l’efficacia di un processo di fabbricazione, prima di iniziare effettivamente la produzione. Con la simulazione le aziende possono definire una metodologia che garantisca livelli di efficienza costanti in una vasta gamma di condizioni. I terzi registrano i dati generati dai prodotti e dagli impianti in funzione e li analizzano in modo da fornire dettagli utilizzabili per un processo decisionale consapevole. In questo modo si possono creare nuove opportunità di business; ottenere informazioni dettagliate per migliorare i modelli virtuali; acquisire, aggregare e analizzare quelle relative alle operation e migliorare l’efficienza di prodotti e sistemi di fabbricazione. Ma, per dirla con Neike, «il digital twin deve riguardare l’intero processo manifatturiero». L’idea che Siemens porta avanti è quella di “saldare” i tre tipi appena descritti in un modello «comprehensive»: riguarda tutti i processi, dai più semplici ai più complicati, e il ciclo vita del prodotto.

«Si pensi a quello che è stato fatto con un’importante industria farmaceutica, BioNTech». Questa, con sede a Mainz, ha convertito un impianto esistente a Marburg per la produzione del vaccino Covid-19 in un tempo record – con l’assistenza di Siemens. «Questa esperienza dimostra che l’intero processo produttivo del vaccino può essere pianificato grazie ai digital twin, che a loro volta possono anche essere utilizzati un grande valore aggiunto nella comprensione e nell’ottimizzazione dei processi biologici, e nel miglioramento della qualità». Ma si può fare l’esempio di realtà ben più piccole, come Spb, un’azienda di Valencia attiva nel settore del personal care, health e beauty con cinque impianti produttivi in Spagna e 450 dipendenti. Per Spb il Covid, in un certo senso, è stata un’occasione: ha riconvertito parte della sua produzione, e ha raddoppiato la fabbricazione di disinfettanti. Si trattava di realizzare anzitutto un ambiente sicuro per i lavoratori, con un nuovo layout; e quindi di ristrutturare tutti i processi e di farli ripartire con le nuove regole, ad esempio quelle sul distanziamento. Un’operazione impossibile da completare in breve tempo senza la simulazione, che invece ha consentito di virtualizzare non solo gli spazi fisici, ma anche i flussi di materiali e di persone.  Il segreto è l’adattabilità del digital twin ai singoli contesti aziendali. Ed in effetti sulla scorta di tutte le informazioni raccolte sul campo, si è creato un sistema in cui la vicinanza tra colleghi è rara ed è peraltro segnalata dal badge.

2. Il digital twin si fa sostenibile

«Dal momento che con il digital twin può riguardare l’intero ciclo vita del prodotto e simulare il processo manifatturiero nella sua interezza, può anche servire a stimare in anticipo il footprint, o a valutare se il bene sia riciclabile» – ha affermato Neike. Insomma, il gemello digitale può aiutare le aziende ad utilizzare in modo responsabile le risorse. «E considerata l’importanza che questo argomento ha assunto negli ultimi anni, non c’è dubbio che saranno sempre più le imprese che impiegheranno i digital twin per conseguire obiettivi di sostenibilità e di economia circolare».

3. Sempre più dati nel digital twin grazie a Xcelerator

Xcelerator è il portafoglio cuore dell’offerta software della multinazionale tedesca dell’automazione Siemens. Serve per la progettazione elettronica e meccanica, per la simulazione di sistemi, per la produzione, per la gestione operativa e per l’analisi del ciclo di vita. È collegato alla piattaforma Mendix, che fornisce tool per creare, testare, distribuire e replicare applicazioni; ed è integrato alla platform basata sul Cloud MindSphere di cui parleremo dopo. Xcelerator comprende anche i digital twin. «Stiamo lavorando – ha affermato Neike – per integrare sempre di più i dati che si possono elaborare con i diversi software del portafoglio. Tutte queste informazioni anzitutto vengono messe in Cloud e rese disponibili grazie ad applicazioni di collaboration; inoltre, sono utilizzate per nutrire i gemelli digitali con flussi molto accurati e consistenti».

4. La collaborazione con Sap

Già da tempo Siemens collabora con Sap, l’azienda nota in tutto il mondo per il suo gestionale. Ad esempio la prima offre applicazioni di asset strategy e di performance management della seconda, che a sua volta propone alla propria clientela il portafoglio di soluzioni di gestione del ciclo vita di prodotto di Siemens (Teamcenter). «Questa collaborazione – ha affermato Neike – riguarderà anche i digital twin, che potranno integrare le informazioni aziendali (Sap) e quelle di ingegneria e produzione (Siemens) per consentire all’azienda di prendere sia decisioni di business ai piani alti che di produzione in officina».

Industrial 5G e Industrial Edge

1. Industrial 5G

Per garantire che i dati vengano trasmessi in modo rapido e affidabile tramite reti di comunicazione ad alte prestazioni e che tutte le aree di produzione possano quindi reagire immediatamente ai cambiamenti, Siemens continua a portare avanti tecnologie all’avanguardia come l’Industrial 5G. Il 5G è l’ultimo avanzamento nella comunicazione mobile, definito dalla Next Generation Mobile Networks (Ngmn) Alliance, un’associazione di operatori, venditori, produttori e istituti di ricerca operanti nel settore dal 2006.  In un contesto industriale, il 5G promette lo sviluppo di applicazioni rivoluzionarie che vivranno al di fuori dell’ambiente cablato. Tanto se ne parla: realtà virtuale così come non si è mai vista, realtà aumentata e guida autonoma, per esempio.

Si differenzia dalle generazioni precedenti perché, nel 2025, a regime, la banda disponibile dovrebbe aumentare di tre ordini di grandezza dagli attuali 1 Gbit al secondo fino a 100 Gbit al secondo; e a causa della bassa latenza (l’intervallo di tempo che intercorre fra il momento in cui viene inviato l’input al sistema e il momento in cui è disponibile il suo output) pari a 2 millisecondi. In Germania, le aziende beneficiano anche della possibilità di utilizzare frequenze 5G private nei loro siti in via esclusiva. In qualità di uno dei principali espositori di Hannover Messe, Siemens ha allestito un prototipo di rete di campus industriale 5G in uno dei padiglioni espositivi. In futuro, la rete potrà essere utilizzata dagli espositori durante le fiere in corso e sarà a disposizione delle aziende al di fuori degli orari fieristici per test e prove sul campo.

2. Industrial Edge

La multinazionale ha una propria offerta, Industrial Edge. L’idea è quella di consentire alle aziende una gestione “flessibile” dell’elaborazione dei dati: la quota da realizzare in prossimità della fonte può variare in relazione alle circostanze e al tipo di applicazione. Siemens peraltro sta espandendo in maniera considerevole il proprio portafoglio in materia. Siemens Industria Edge è ad esempio collegato ai noti controllori Simatik e Sinumerik, nonché a vari modelli di azionamento – che forniscono dati fondamentali sulla velocità e sulla coppia delle macchine. Grazie all’elaborazione di questi, si può puntare ad una consistente riduzione degli errori e del consumo energetico.

MindSphere è il collante tra IT e OT

Si parlava di convergenza tra i domini IT e OT. Storicamente, erano due mondi separati, ognuno con le sue regole: erano amministrate con criteri diversi. Gradualmente, nei contesti più avanzati della manifattura, ci si è resi conto che si stava perpetuando un grosso errore. Finché queste due reti non entrano in contatto, infatti, sfuma qualsiasi opportunità di svolgere un controllo puntuale ed efficace su tutte le fasi del processo. Come si accennava all’inizio, invece, la convergenza consente all’azienda di essere “intelligente”,  e cioè in grado – grazie ad una comunicazione biunivoca tra gli ambienti IT e OT e grazie alla capacità computazionale – di  migliorare gli standard qualitativi e l’efficienza degli impianti; flessibile, e cioè di poter riconfigurare velocemente la produzione in base alle esigenze del momento; resiliente, perché, essendo più intelligente e quindi più capaci di gestire la complessità, l’impresa acquisisce la capacità di reagire positivamente alle turbolenze del mercato e, in generale, alle situazioni avverse; e infine sostenibile, perché l’ottimizzazione dei processi comporta una minore dipendenza dall’esterno quanto a risorse critiche.

Per Neike «è MindSphere il collante tra IT e OT». MindSphere, è un sistema operativo in cloud per IoT del tipo platform as a service: in pratica, da una parte serve a connettere le macchine presenti in azienda; dall’altra consente a partner di sviluppare app a disposizione di tutti i player protagonisti dell’ecosistema Siemens. Quanto ai servizi offerti dalla piattaforma, sono tra i più diversi: dagli indicatori di performance al monitoraggio da remoto alla manutenzione predittiva. Industria Italiana se ne è occupata qui. «MindSphere collega il cloud e l’edge. Gestisce i dati che sono raccolti ed esaminati nello shopfloor (80%) e la selezione di informazioni che viene mandata in cloud per analisi più raffinate (20%)». Senza questo passaggio, per Neike la convergenza IT e OT non sarebbe possibile.