L’attuale progresso nell’interazione uomo – macchina nell’era dell’Industria 4.0

• Industria 4.0 e Interazione Uomo – Macchina
• Scelte operative per l’HMI nelle Smart Factory
• Il ruolo del fornitore di componenti

Il progresso nell’interazione uomo – macchina è attualmente connesso all’esigenza, sempre più rilevante, di conseguire alti livelli di competitività.
Questa esigenza fa sì che il settore manifatturiero sia sempre più orientato alla ricerca di soluzioni per il miglioramento delle prestazioni produttive.

Uno dei parametri di valutazione fondamentali di tale attività di ricerca, di recente introduzione, è l’Efficienza Complessiva di Impianto (Overall Equipment Efficiency, OEE).

L’impiego dell’OEE è di uso abbastanza comune in tutti quelle situazioni in cui è necessario valutare le prestazioni di una linea (o di un sistema) di produzione, per cui il suo uso sta acquistando un interesse crescente nel settore manifatturiero.

Lo scopo della valutazione dell’OEE è di identificare tutte le attività, tra quelle componenti un dato processo di produzione, che assorbono risorse ma non creano valore aggiunto.

La misurazione di questo parametro dà la possibilità di implementare dei miglioramenti continui, consistenti nella individuazione e nella successiva riduzione delle attività su indicate.

Questi processi di valutazione risultano così fondamentali anche per il conseguimento di livelli sempre più elevati di progresso nell’interazione uomo – macchina, alla luce delle prerogative della Quarta Rivoluzione Industriale.

Industria 4.0 e Interazione Uomo – Macchina

Un fattore essenziale, alla base della sopravvivenza di una moderna azienda operante nel settore manifatturiero, è dato dalla capacità della stessa di fare fronte alle esigenze di digitalizzazione dei processi di produzione imposta dall’avvento dell’Industria 4.0.

La Quarta Rivoluzione Industriale è stata innescata dall’avvento dell’Internet delle Cose (Internet of Things, IoT) ed ha determinato l’estensione dell’integrazione dell’Internet del Tutto (Internet of Everything, IoE) all’interno dell’intera catena del valore nell’Industria.

Un ulteriore e fondamentale tecnologia alla base dell’Industria 4.0 è data dai Sistemi Ciberfisici (Cyber – Physical Systems, CPS), la cui implementazione consente la fusione del mondo fisico con quello virtuale.
I sistemi CPS sono dati dall’integrazione tra oggetti fisici e piattaforme software, al fine di conseguire l’interazione tra diversi componenti ed il contestuale scambio delle informazioni rilevanti.
La comunicazione tra uomo e macchine nei sistemi CPS, unitamente a quella tra macchine, costituisce una delle principali opportunità di innovazione ed un settore di ricerca di fondamentale interesse.

Un’azienda del settore manifatturiero che integra efficacemente soluzioni di IoT e sistemi CPS è pronta a diventare una Smart Factory, all’interno della quale le tecnologie implementate assistono sia gli operatori che le macchine, durante lo svolgimento delle attività critiche costituenti un determinato processo di produzione.

Da un punto di vista pratico, i sistemi che lavorano in background, nei contesti su indicati, impiegano le informazioni ricavate dal mondo virtuale e dal mondo fisico.
Le connessioni messe in atto tra macchine, dispositivi, sensori ed operatori entrano a far parte dell’ecosistema dato dall’IoE, influenzando sia l’ingegnerizzazione dei primi che le competenze dei secondi.

La realizzazione di tali ecosistemi digitali consente, infatti, di conseguire caratteristiche di dinamicità oltre a presentare diverse potenzialità in termini di ottimizzazione dei metodi e dei processi di produzione preesistenti.

Le principali conseguenze di queste innovazioni saranno date dall’estensione dell’interazione uomo – macchina, in particolare di come gli operatori ed i macchinari possono interagire in maniera efficiente e di come un sistema di macchinari costituente una linea di produzione può essere gestito dagli operatori senza errori potenziali.

L’Interazione Uomo – Macchina (Human – Machine Interaction, HMI) ha la grande potenzialità di poter estendere e migliorare l’OEE.

L’implementazione di un tale sistema interattivo non costituisce, comunque, una garanzia di successo.

Un’implementazione efficace di un sistema HMI richiede, infatti, una profonda comprensione degli aspetti organizzativi di un’azienda.
Allo scopo di fare fronte alle prerogative della Quarta Rivoluzione Industriale, si dovrà affrontare il passaggio dai modelli aziendali classici a quelli data – driven (basati sui dati) e platform – based (basati sulle piattaforme).
Tali implementazioni vanno a mutare radicalmente le forme di valore aggiunto e di creazione del valore stesso.

L’insieme delle valutazioni messe in atto dagli studi preliminari porta ad una conclusione unanimemente condivisa: le modalità di conseguimento di un’implementazione ottimale ed efficace di una soluzione HMI sono principalmente legate al progresso tecnologico dei macchinari, anche in termini di scelta della componentistica per la realizzazione delle relative catene cinematiche.

Scelte operative per l’HMI nelle Smart Factory

Sin dal secolo scorso, è stata riposta la massima attenzione nella risoluzione, sin qui esposta, delle problematiche relative al conseguimento di un’interazione uomo – macchina efficace e priva di potenziali errori.

Le industrie del settore manifatturiero, di recente, stanno ponendo la massima attenzione sulla gestione di sistemi sempre più integrati, per mezzo dell’implementazione di soluzioni di automazione sempre più avanzate ed estese.

Nell’era dell’Industria 4.0, il ricorso alle Smart Factory prima descritte comporta un ricorso ad una componentistica d’impianto costituita da oggetti equipaggiati con sistemi integrati di elaborazione e comunicazione.

Tale trasformazione viene resa possibile tramite l’implementazione di sistemi basati sulle tecnologie di Cloud Computing, di IoT e dei CPS, accennati in precedenza.

Sulla base di queste soluzioni, i macchinari e gli impianti di produzione diventeranno sempre più interconnessi ed autonomi, svolgendo tutte le funzioni critiche della produzione in maniera automatica ed adattativa, consentendo la gestione di scenari e tipologie produttive sempre più complesse.

La produzione intelligente così ottenuta avrà la capacità principale di trasformare il mondo fisico in un digital twin (o in un cyber twin), che potrà svolgere sia le funzioni di monitoraggio che quelle decisionali in maniera facile ed efficiente.

Tutto ciò non influisce soltanto sull’impiego e sullo sviluppo delle tecnologie coinvolte, ma avrà anche conseguenze per il ruolo degli operatori, che passeranno dallo svolgimento di attività sui macchinari a ruoli di tipo decisionale e di risoluzione delle varie problematiche di produzione, con modalità strategiche e flessibili.

Ciò che comunque influenzerà in maniera determinante le caratteristiche di un sistema di HMI scelto sarà la crescente complessità dei processi di produzione, che saranno caratterizzati dall’essere sempre più smart, ricorrendo anche all’implementazione di sistemi basati sull’Intelligenza Artificiale, al fine di poter garantire le caratteristiche di autoapprendimento richieste.

Per fare fronte a tali esigenze, gli operatori avranno la necessità di essere supportati da sistemi dedicati, il cui scopo principale è quello di aggregare e visualizzare le informazioni in maniera comprensibile, al fine di facilitare le attività decisionali e di incrementare la produttività.

Tra i vari esempi di sistemi di assistenza in ambiti di Industria 4.0 vi sono tutti quelli che possono essere comprese nelle categorie wearable, wireless e dispositivi virtuali (come tablet, smartphone e smart glasses).

Vi sono diverse definizioni di HMI; quelle più accreditate sono basate non solo sull’interoperabilità condivisa tra uomo e macchina ma anche su quella tra uomo e computer.
L’interazione quindi richiede la presenza di almeno due partecipanti. Entrambi risulteranno operativi con un certo livello di complessità, oltre ad essere molto diversi, l’uno dall’altro, sia dal punto di vista della comunicazione che da quello della percezione degli obiettivi relativi alle attività da svolgere all’interno di ben determinate fasi di produzione.

In questo contesto, il ricorso ai modelli di produzione avanzata basati sui concetti di Cloud Manufacturing garantisce la condivisione delle risorse di produzione in maniera comprensibile, rendendole anche disponibili tramite l’implementazione di tecnologie orientate ai servizi e di sistemi di virtualizzazione, basate sull’IoT ed il Cloud Computing.

Le tecnologie indicate rendono possibile l’implementazione di un sistema HMI ottimale, che permette di conseguire il livello di efficacia richiesto nell’interfacciamento e nella conversione dei linguaggi tra partecipanti, ovvero tra operatori e macchinari.

Entrambe le definizioni considerate dell’HMI tendono ad enfatizzare l’importanza della concettualizzazione delle tecnologie implementate nell’interfaccia utente, impiegate per la realizzazione sia dei sistemi hardware che di quelli software.
Risulta così possibile apprezzare l’importanza del parallelismo esistente tra Cloud Computing e Cloud Manufacturing e le innumerevoli potenzialità possibili, alla luce dei recenti progressi.

Un componente chiave alla base dell’HMI nelle industrie del settore manifatturiero è così dato dalla concettualizzazione dell’interfaccia uomo – macchina.

Da questo punto di vista, l’ambito progettuale di un’interfaccia HMI è strettamente legato alle necessità accennate di prevenzione degli errori potenziali tramite l’incremento della semplicità d’uso per gli operatori.

In questi contesti, il ricorso agli oggetti smart consente la realizzazione di sistemi di supporto capaci di fornire funzionalità di percezione, interazione e interconnessione reciproca, con il vantaggio di poter fornire funzionalità aggiuntive alla produzione in modalità adattative ed automatiche.

Integrando l’interfaccia uomo – macchina con soluzioni per l’analisi dei dati e dei modelli, si possono realizzare soluzioni dedicate di supporto digitale alle attività decisionali degli operatori.
Le interfacce così realizzate, risulteranno così capaci di fornire nuovi e sempre più estesi livelli di interazione e di realizzazione dei relativi sistemi di supporto.

Questi livelli di interazione prevedono, inoltre, l’implementazione di sistemi CPS, caratterizzati da una capacità sempre più estesa di condizionamento delle prestazioni dei macchinari, specie in termini di realizzazione degli azionamenti e delle rispettive catene cinematiche.

Il supporto a questa interazione è estesa e potenziata dall’implementazione delle tecnologie dell’IoT, capaci di fare fronte alle esigenze on demand delle risorse di produzione.

Le competenze interdisciplinari, necessarie alla realizzazione di sistemi embedded nei quali il livello di coordinazione tra oggetti fisici e servizi computazionali deve essere il più elevato possibile, porterà sempre di più verso la realizzazione di sistemi CPS nei quali l’HMI  costituirà un parametro progettuale fondamentale.

La stessa interazione uomo – macchina sarà quindi alla base delle scelte relative alla realizzazione di catene cinematiche, capaci di fare fronte in maniera ottimale alle esigenze connesse ai tempi di reazione dei sistemi di sicurezza elettronici; ciò grazie al ricorso di accoppiamenti cinematici dall’inerzia contenuta.

Solo grazie ad un’efficace coordinazione tra oggetti fisici e modelli virtuali, contestuale a quella tra sistemi di comunicazione e quelli di controllo, si può conseguire un livello ottimale di contenimento dei potenziali errori nell’interazione uomo – macchina, specie nell’ambito delle attività critiche di un processo produttivo rispondente ai requisiti della Quarta Rivoluzione Industriale.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come l’implementazione di sistemi HMI nell’era dell’Industria 4.0 può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

Nel settore degli azionamenti inclusi nei sistemi di supporto all’operatore, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali:

• giunti a soffietto metallico della serie BK
• giunti ad elastomero della serie EK
• limitatori di coppia serie SK
• giunti con allunga della serie ZA ed EZ.

In un prossimo futuro, i sistemi di interazione uomo-macchina includeranno con sempre maggior frequenza componenti smart.

R+W, una delle prime realtà industriali ad avvertire la richiesta di componenti intelligenti da parte del mercato, ha già la risposta a questa evoluzione della domanda:  si tratta del giunto IPK, acronimo di Artificial intelligence Coupling.

L’industria 4.0 per raggiungere il massimo dell’efficienza richiede infatti componenti in grado di auto-monitorarsi e di monitorare il funzionamento della macchina, dalla manutenzione a un controllo delle prestazioni continuo, senza dimenticare la capacità di prevedere guasti e rotture delle varie parti del motore.

La tecnologia sviluppata da R+W permette di registrare alcuni parametri di esercizio (temperatura, vibrazioni, disallineamento della coppia che sta trasmettendo e altro) grazie alla sensoristica integrata nel giunto stesso.

Diversi giunti R+W sono già disponibili in versione Smart e la gamma di giunti che possono integrare questa tecnologia è in fase di ampliamento.

Il risultato, che rappresenta il più evoluto esempio di componentistica smart attualmente disponibile, permetterà di realizzare macchine sempre più efficienti, precise e in grado di controllarsi continuamente per prevedere eventuali guasti che andrebbero a impattare negativamente sulla produttività.