Industria 4.0: controllo intelligente dei processi e prestazioni sostenibili

La nuova sfida strategica dell'industria del futuro è la gestione dell'energia. Tra l'aumento costante dei costi energetici, gli obiettivi di decarbonizzazione e la necessità di garantire una produzione affidabile per un mercato sempre più esigente, le aziende devono ottimizzare costantemente i propri impianti.

I fermi macchina imprevisti e le perdite di efficienza energetica rappresentano ancora fonti significative di costi e perdite in un settore più che mai orientato alla performance. Sebbene la digitalizzazione delle attrezzature industriali venga spesso indicata come una soluzione, a volte viene ancora percepita come complessa o costosa da implementare.

Tuttavia, le analisi fornite da computer, software e altri server offrono nuove prospettive e facilitano l'azione, grazie in particolare alla loro potenza di calcolo e all'intelligenza artificiale (IA). L'automazione delle attività e l'attuazione di misure correttive consentono di raggiungere un rendimento ottimale con un minor consumo energetico.

È proprio questo che promette l'Industria 4.0: offre soluzioni concrete per migliorare la visibilità, la manutenzione e l'efficienza energetica degli impianti.

L'Industria 4.0 si basa su diversi principi fondamentali volti a migliorare le prestazioni delle imprese industriali:

• Interoperabilità: apparecchiature e sistemi per facilitare lo scambio di informazioni
• Analisi dei dati: per migliorare la comprensione dei processi
• Reattività in tempo reale: per adeguare le operazioni più rapidamente
• Manutenzione predittiva: per prevenire anomalie e guasti
• Integrazione IT/OT: per una gestione globale delle prestazioni, in particolare in ambito energetico

Una volta raccolte e analizzate, queste informazioni consentono di avere un quadro più chiaro del funzionamento degli impianti e di intervenire più rapidamente, se non addirittura in tempo reale.

In definitiva, l'Industria 4.0 mira a rendere lo stabilimento più connesso, più trasparente e più efficiente nella gestione quotidiana.

*interoperabilità: indica la capacità di diversi sistemi, macchine, software o apparecchiature di comunicare tra loro, scambiare dati e funzionare insieme, anche se provengono da produttori o tecnologie diverse.

In un contesto di Industria 4.0, la crescente interconnessione delle apparecchiature espone le aziende industriali a rischi di attacchi informatici sempre più complessi. L'integrazione dell'IoT e delle tecnologie digitali genera infatti enormi volumi di dati che è fondamentale raccogliere, analizzare e proteggere in modo efficace.

In questo contesto, la protezione dei dati sensibili rappresenta una sfida strategica, sia per salvaguardare il segreto industriale sia per proteggersi da minacce quali gli attacchi ransomware, che potrebbero bloccare l'impianto di produzione. Una gestione inadeguata dei dati può quindi causare fughe di informazioni, intrusioni dolose o perdite finanziarie significative.

Di fronte a queste sfide, la sicurezza informatica industriale si impone oggi come una priorità fondamentale. Le aziende devono non solo implementare sistemi sicuri per gestire i propri flussi di dati, ma anche conformarsi agli standard di sicurezza vigenti, compresa l’esecuzione di test di intrusione regolari. L'utilizzo di soluzioni Data Management Platform (DMP) consente in particolare di controllare meglio l'accesso alle informazioni sensibili e di monitorare in tempo reale gli scambi di dati. Inoltre, la formazione dei team sul rilevamento delle minacce e sull'applicazione dei protocolli di sicurezza costituisce una leva essenziale per rafforzare la resilienza globale degli impianti.

All'incrocio tra la gestione dei dati e la sicurezza delle infrastrutture, il data management e la sicurezza informatica diventano così pilastri indispensabili per garantire la continuità operativa e le prestazioni sostenibili degli impianti industriali.

Industria 1.0: meccanizzazione (macchina a vapore)

Alla fine del XVIII secolo, l'invenzione e la diffusione della macchina a vapore segnarono l'inizio della prima rivoluzione industriale (Industria 1.0). Questo periodo, che si estese fino alla metà del XIX secolo, vide la graduale introduzione di macchinari in grado di automatizzare alcune attività e di aumentare notevolmente la capacità produttiva.

Inizialmente promossi dal Regno Unito, grazie allo sfruttamento del carbone che alimentava le macchine a vapore, questi grandi principi e metodi si diffusero rapidamente nel resto d’Europa. In Francia, lo sviluppo e la commercializzazione delle prime macchine meccanizzate, come la macchina da cucire, contribuirono anch’essi a questa dinamica e accompagnarono la modernizzazione dei processi di produzione.

Industria 2.0: elettrificazione e produzione di massa

Alla fine del XIX secolo, l’industria compì un nuovo passo avanti con l’avvento dell’elettricità e l’utilizzo di nuove fonti energetiche come il petrolio e il gas. Questa seconda rivoluzione industriale, o Industria 2.0, permise agli impianti di produzione di aumentare la capacità, il ritmo e l’efficienza. È anche in questo periodo che si sviluppano le prime linee di assemblaggio, in particolare nell'industria automobilistica con Ford, aprendo la strada alla produzione di massa. L'industria cambia quindi scala, con processi meglio organizzati e una produzione più standardizzata.

Industria 3.0: automazione e informatica industriale

A partire dalla seconda metà del XX secolo, l’industria entra in una nuova fase con il boom dell’elettronica e dell’informatica. Questa terza rivoluzione industriale, o Industria 3.0, segna l’inizio di un’automazione più avanzata dei processi. I sistemi automatizzati, i controllori programmabili e i primi strumenti informatici consentono quindi di migliorare la precisione, la produttività e l'affidabilità. È anche in questo periodo che si sviluppano i primi processi di controllo e supervisione, che trasformeranno progressivamente il modo di gestire gli impianti industriali.

Industria 4.0: digitalizzazione e intelligenza integrata

Oggi l'industria sta entrando in una nuova fase di trasformazione grazie alla diffusione delle tecnologie digitali, dei dispositivi connessi e dell'analisi dei dati. Questa quarta rivoluzione industriale, nota come Industria 4.0, si basa sull'interconnessione di macchine, sensori e software di controllo per monitorare meglio il funzionamento degli impianti in tempo reale (produzione intelligente).

Questi software consentono alle aziende industriali di migliorare l'analisi degli impianti, ottimizzarne il consumo energetico e anticipare i guasti prima che causino interruzioni impreviste della produzione, grazie in particolare al machine learning, che permette di utilizzare i dati per apportare correzioni in tempo reale. In un contesto caratterizzato dall'aumento dei costi energetici e dagli obiettivi di decarbonizzazione, le tecnologie dell'Industria 4.0 si affermano come una leva strategica per rafforzare le prestazioni e la competitività dei siti industriali.

Verso l'Industria 5.0: umanizzazione, sostenibilità e resilienza

L'Industria 5.0 porta avanti la trasformazione avviata dall'Industria 4.0 con una visione più ampia delle prestazioni industriali.

Il principio è chiaro: riportare l’uomo al centro dei processi produttivi, affiancandolo alle tecnologie avanzate. Queste nuove tecnologie al servizio dell’uomo non aspettano altro che essere integrate in tali processi produttivi (intelligenza artificiale, cloud computing, big data, ecc.) e le opportunità sono numerose; in questa nuova rivoluzione industriale, il valore aggiunto sarà innanzitutto più umano, più resiliente e più sostenibile al servizio della produzione.

Questa evoluzione risponde anche a una sfida di resilienza industriale, aiutando le organizzazioni ad adattarsi meglio alle impreviste, alle evoluzioni del mercato e ai vincoli ambientali. Si inserisce in una logica di sostenibilità e decarbonizzazione, con una crescente attenzione alla riduzione dell'impronta energetica delle attività industriali.

In pratica, anche i principi dell'economia circolare assumono un ruolo sempre più importante, al fine di ottimizzare l'uso delle risorse e ridurre i rifiuti. L'energia diventa quindi un pilastro strategico per conciliare prestazioni industriali, transizione ecologica e competitività a lungo termine.[

Il ruolo fondamentale della strumentazione intelligente

La strumentazione intelligente garantisce il pieno controllo del processo industriale. In altre parole: grazie alla misurazione in tempo reale, le aziende industriali dispongono di una visione più precisa del funzionamento delle loro apparecchiature e dei loro consumi energetici. Questa visibilità facilita l’individuazione delle anomalie, che si tratti di uno scostamento, di un malfunzionamento o di una variazione nei consumi. Lavorando sulla correlazione tra energia e produzione, diventa anche possibile comprendere meglio le prestazioni effettive dei processi, identificare percorsi di miglioramento concreti e trasmettere automaticamente aggiornamenti e altre correzioni.

Questo approccio favorisce inoltre la manutenzione predittiva, aiutando ad anticipare determinati guasti prima che incidano sulla produzione. Infine, l'analisi dei dati nel tempo consente un'ottimizzazione continua dei consumi. In altre parole, in una logica di Industria 4.0, i dati diventano una leva per migliorare le prestazioni.

Regolazione intelligente del lago di Ailette: anticipare i rischi idraulici grazie all'Industria 4.0

La gestione del lago d’Ailette, nella regione Hauts-de-France, mira a mantenere un equilibrio idraulico tra gli afflussi a monte e le esigenze a valle, garantendo una portata minima per gli ecosistemi ed evitando al contempo gli straripamenti in caso di forti piogge.

In passato, questa regolazione si basava su regolazioni manuali e dati sporadici, il che limitava la capacità di prevedere gli eventi meteorologici. In caso di temporale, le rapide variazioni di portata potevano comportare rischi di inondazione e avere ripercussioni sulle attività a valle.

Per far fronte a queste sfide, è stata implementata un'architettura connessa. Dei misuratori di portata autonomi rilevano costantemente il livello del lago e le portate dei fiumi. Questi dati vengono inviati automaticamente a una piattaforma online. Successivamente, il sistema di telegestione FBox recupera i dati tramite API, li converte e li analizza in tempo reale.

Il cuore dell'impianto è costituito da un regolatore industriale PSC200 che comanda automaticamente una valvola MONOVAR sulla base di setpoint calcolati in funzione delle condizioni idrauliche. L'intero sistema è monitorato tramite un'interfaccia uomo-macchina (HMI) touchscreen che consente di visualizzare i dati, registrare gli eventi e regolare i parametri di controllo.

Questa soluzione illustra i vantaggi dell'Industria 4.0: dati in tempo reale, interconnessione delle apparecchiature, automazione e maggiore resilienza di fronte agli imprevisti.

Valorizzazione del vapore: garantire l'affidabilità degli scambi energetici grazie ai dati industriali

Nel quadro della valorizzazione energetica, un inceneritore produce vapore destinato ad alimentare una cartiera vicina. L'obiettivo è misurare con precisione i flussi prodotti, trasferiti e consumati al fine di garantire una fatturazione affidabile.

La molteplicità dei punti di misurazione e la dispersione degli impianti complicavano il monitoraggio, con dati non centralizzati e una scarsa visibilità sui flussi energetici.
È stata quindi implementata un'architettura di misurazione connessa. I misuratori di portata e di energia termica ERW700 misurano i flussi di vapore e di condensa, con raccolta dei dati tramite Modbus RTU e successiva trasmissione in Modbus TCP su una rete Ethernet. Il dispositivo di telegestione FBox centralizza, struttura i dati e genera file standardizzati.

Questi file possono essere trasmessi automaticamente a piattaforme esterne, in particolare all'ADEME, facilitando le procedure normative e l'accesso agli incentivi energetici.

Il sistema integra inoltre controllori logici programmabili (PLC) e interfacce uomo-macchina (HMI) in grado di rilevare le variazioni in tempo reale e di aggiornare solo i dati rilevanti, migliorando così la reattività.

I dati sono poi accessibili tramite una postazione di supervisione, che offre una visione d'insieme dei flussi e consente sia di rendere più affidabile la fatturazione sia di individuare le leve per l'ottimizzazione energetica.

Questo progetto illustra il contributo dell'Industria 4.0 alla valorizzazione energetica: interconnessione delle apparecchiature, affidabilità dei dati, automazione dei flussi e miglioramento delle prestazioni.

Queste trasformazioni si inseriscono anche in dinamiche nazionali e internazionali. In Francia, il piano «France 2030» prevede quasi 54 miliardi di euro di investimenti per accelerare la digitalizzazione dell’industria, a integrazione di iniziative come «Industrie du Futur», volte a sostenere le PMI e le imprese di medie dimensioni. A livello europeo, programmi come “Industria 2025” in Svizzera illustrano anch’essi questa volontà di rafforzare la competitività industriale attraverso l’innovazione digitale.

I gemelli digitali* sono repliche virtuali delle linee di produzione create per simulare modifiche senza interrompere la produzione reale.

Oggi, la Fabbrica 4.0 si basa su uno stabilimento interconnesso, in cui macchinari, sensori e sistemi digitali comunicano costantemente tra loro. In questo contesto, la produzione basata sui dati consente di comprendere meglio i processi e di ottimizzare le operazioni con precisione.

Le prestazioni diventano misurabili in tempo reale, offrendo una chiara visione dell'efficienza delle linee e di eventuali scostamenti. Questi dati facilitano l'implementazione di una gestione energetica intelligente, consentendo un migliore controllo dei consumi.

Sfruttando queste informazioni, le aziende manifatturiere possono anche prevedere le anomalie e contribuire così a ridurre i fermi macchina imprevisti, rafforzando al contempo l'affidabilità complessiva della produzione.

Per avviare la transizione verso l'Industria 4.0, le aziende manifatturiere hanno innanzitutto bisogno di una maggiore visibilità sui propri impianti. È proprio in questa ottica che si inseriscono le soluzioni proposte da Fuji Electric. I sensori di pressione intelligenti, i misuratori di portata e i sensori connessi, nonché i contatori di energia, consentono di misurare con maggiore precisione i consumi, sia che si tratti di consumi energetici che di parametri legati ai processi industriali.

Questi dati possono poi essere centralizzati e gestiti grazie alle interfacce HMI e alle soluzioni di supervisione, che ne facilitano la lettura e l'analisi quotidiana. Infine, i convertitori di frequenza contribuiscono a migliorare l'efficienza energetica degli impianti, ottimizzando al contempo il controllo dei motori industriali. Insieme, queste tecnologie costituiscono elementi fondamentali per la creazione di industrie connesse e ad alte prestazioni.

L'integrazione di soluzioni compatibili con l'Industria 4.0 consente alle aziende manifatturiere di migliorare in modo significativo le prestazioni dei propri impianti. Come abbiamo già visto, garantendo una maggiore visibilità sul funzionamento delle apparecchiature, queste tecnologie offrono vantaggi concreti:

• Riduzione degli sprechi energetici grazie a un monitoraggio più accurato dei consumi
• Miglioramento dell'efficienza dei processi produttivi
• Riduzione dei fermi macchina imprevisti grazie a un rilevamento più rapido delle anomalie
• Prevenzione dei guasti grazie all'analisi continua dei dati
• Maggiore affidabilità dei processi industriali
• Migliore tracciabilità dei dati, fondamentale per il monitoraggio delle prestazioni e la manutenzione

Questo approccio consente quindi di ottimizzare gli impianti in modo sostenibile, coniugando prestazioni operative ed efficienza energetica.

Audit energetico industriale

L'audit energetico industriale è spesso il punto di partenza di un percorso di miglioramento efficace. Si basa innanzitutto su un'analisi dei consumi, indispensabile per comprendere come l'energia venga effettivamente utilizzata all'interno del sito. Ciò consente poi di individuare le perdite, che si tratti di consumi eccessivi, di scostamenti o di inefficienze di natura più strutturale. Infine, l’individuazione dei punti critici aiuta a individuare le aree o le attrezzature che incidono maggiormente sulle prestazioni energetiche, al fine di definire azioni mirate e adeguate alle priorità del sito.

Co-progettazione e integrazione

Il successo di un progetto industriale dipende spesso da un approccio sviluppato in stretta sintonia con le realtà del sito. È proprio questo il valore aggiunto di un approccio di co-progettazione tra Fuji Electric e i team industriali. Si inizia con la definizione degli indicatori chiave, al fine di monitorare in modo pertinente le prestazioni energetiche e operative. Si prosegue con l'integrazione di soluzioni di strumentazione e sistemi di supervisione, al fine di raccogliere, centralizzare e utilizzare i dati provenienti dalle apparecchiature. Infine, le soluzioni vengono implementate gradualmente, il che consente di adattare gli impianti esistenti e garantire una transizione controllata verso infrastrutture più connesse e performanti.

Implementazione e monitoraggio

L'implementazione delle soluzioni prevede una fase di installazione e configurazione delle apparecchiature, al fine di garantirne l'integrazione ottimale all'interno degli impianti esistenti. Una volta che i dispositivi sono operativi, l'analisi dei dati raccolti consente di valutare le prestazioni energetiche e di individuare nuove opportunità di ottimizzazione. L'ottimizzazione della catena di approvvigionamento grazie alla condivisione dei dati in tempo reale offre una visibilità totale sulle scorte e sulla logistica.