Cosa sono e differenza tra Smart Factory e Cyber-Physical Systems (CPS)

Con l’avanzare del tempo il significato del termine Industria 4.0 è stato esteso per identificare tutti gli aspetti della nuova rivoluzione industriale, la quale tra le altre peculiarità può vantare quella di essere la prima rivoluzione industriale a non essere stata osservata posteriormente, ma ad essere stata annunciata a priori: per questo motivo, non ne è ancora stata stabilita una data di inizio precisa.

Il paradigma di Industria 4.0 definisce quattro principi di progettazione a supporto delle imprese per l’identificazione e la realizzazione di scenari in linea con le nuove metodologie:

• interconnessione, ovvero la capacità di macchinari, dispositivi, sensori e persone di essere connesse e di comunicare tra loro;
• informazione pervasiva, ovvero la possibilità, ad ogni passo della produzione, di raccogliere dati in grande quantità;
• assistenza tecnologica: da un lato viene intesa come la capacità di raccogliere, analizzare, processare e presentare i dati di produzione, i quali vengono utilizzati come supporto all’innovazione e alla risoluzione di problemi; dall’altro lato si riferisce invece all’abilità dei Cyber-Phisical Systems di supportare i lavoratori umani nei compiti più faticosi o pericolosi;
• decisione decentralizzata, ovvero la capacità dei Cyber-Phisical Systems di prendere autonomamente e di eseguire compiti in maniera automatizzata, delegando il lavoro ad un livello superiore solo in caso di particolari eccezioni, conflitti o interferenze.

Nonostante sia un fenomeno globale, la quarta rivoluzione industriale non è stata recepita ed interpretata in modo uniforme tra i vari paesi, sia nella tempistica che nella scelta degli investimenti da effettuare. Per questo motivo non ne esiste una definizione univoca e precisa, ma si tende invece a darne un’identificazione basandosi sul ventaglio di tecnologie che introduce e su cui essa stessa fa leva.

Smart Factory e Cyber-Physical Systems (CPS)

L’Industria 4.0 pone le sue fondamenta nel paradigma di Smart Factory, una nuova concezione della fabbrica che si evolve passando dalla più tradizionale automazione ad un sistema completamente connesso e flessibile in grado di apprendere ed adattarsi alle nuove esigenze: dove un tempo era presente una fabbrica focalizzata sull’automazione attraverso l’impiego di robot e PLC, ora si trova una realtà che ha superato la definizione di stabilimento produttivo per includere al suo interno l’intera “catena del valore”, ovvero l’ecosistema costituito da dipendenti, processi, macchine, dati e clienti.

In altre parole, una Smart Factory è una fabbrica context-aware, in grado di ottenere e sfruttare informazioni di contesto (ad esempio la posizione o lo stato di un oggetto) per assistere sia persone che macchinari nella realizzazione dei propri compiti. Il paradigma di Smart Factory è reso possibile attraverso l’impiego di Cyber-Physical Systems (CPS, o sistemi ciberfisici), sistemi informatici in grado di interagire in modo continuo con il sistema fisico in cui operano. Essi rappresentano la fusione tra il mondo meccanico e quello virtuale, grazie alla loro integrazione di processi sia fisici che computazionali, e permettono la comunicazione e la collaborazione con l’ambiente circostante

o con altri CPS controllando attività, raccogliendo o fornendo dati in tempo reale e mettendo a disposizione servizi tramite la rete.

A differenza di quello che viene comunemente chiamato sistema embedded, dove il principale elemento di focus è l’elemento stand-alone, un CPS sposta l’attenzione sul collegamento tra l’ambiente fisico e la computazione, essendo pensato come una rete di interazioni tra input ed output fisici. Ogni sistema ciberfisico è dotato di capacità computazionali, rispettando infatti strettamente lo schema definito delle “3 C”: capacità computazionale, controllo e comunicazione. Un sistema RFID, inteso non solo come il tag singolo ma come l’intero sistema infrastrutturale, è un tipico esempio di sistema CPS, in quanto integra al suo interno:

• capacità computazionale: il nucleo computazionale di un sistema RFID è composto dai vari lettori e, più in generale, dal sistema di post-processing; generalmente i singoli tag RFID hanno la sola funzione di memorizzazione dati;
• controllo: l’elemento di controllo è banalmente un (micro)controllore che governa l’intero sistema;
• comunicazione: la base di un sistema RFID è rappresentata proprio dalla comunicazione, generalmente bi-direzionale, sotto forma di radio-

Altri esempi applicativi molto diffusi di sistemi ciberfisici sono riscontrabili in ambito sanitario, nel controllo del traffico, nell’avionica, nei sistemi di controllo del processo, nell’industria manifatturiera, ed in generale in tutti i sistemi che fanno uso di sensori e attuatori interconnessi tra loro.

Dopo diversi studi, si sono classificate le tecnologie abilitanti di questa nuova rivoluzione in due gruppi, il primo più vicino al mondo dell’Information Technology (IT) ed il secondo, più eterogeneo, relativo all’Operational Technology (OT): quest’ultimo include tecnologie che, nonostante non siano strettamente legate al mondo digitale, aprono nuove modalità di lavoro in fabbrica, rimuovendo vincoli (ad esempio di produzione, movimentazione, interazione), creando nuove opportunità non solo operative ma anche di business (ad esempio aumento nella varietà di produzione), e richiedendo nuove competenze per il pieno sfruttamento delle loro potenzialità.

Il primo gruppo di tecnologie relativo al mondo IT è composto da:

• Industrial Internet of Things (IoT), l’evoluzione di Internet che mette in comunicazione tra loro oggetti definiti smart ;
• Big Data o Industrial Analytics, l’applicazione di nuove tecniche e strumenti per gestire e creare valore da quantità considerevoli di dati;
• Cloud Manufacturing, la possibilità, attraverso Internet, di accedere agevolmente, on demand e da ogni posizione ad un insieme di risorse a supporto dei processi produttivi e di gestione della supply chain.

Il secondo gruppo, relativo all’OT, comprende invece:

• Advanced Automation, sistemi di produzione automatizzati caratterizzati da elevata capacità cognitiva, interazione e adattamento;
• Advanced Human-Machine Interface, sistemi di interfacciamento uomomacchina e dispositivi wearable innovativi per l’acquisizione e/o la veicolazione di informazione;
• Additive Manufacturing, l’innovativo approccio che ribalta i processi produttivi classici di asportazione e/o deformazione dei materiali in favore di un deposito stratificato di