Fabbriche intelligenti, i Digital Twin nell'Industria 4.0 - www.iottoday.eu

Fabbriche intelligenti,
                  i Digital Twin
                  nell’Industria 4.0

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Fabbriche intelligenti, i Digital Twin nell’Industria 4.0

Tra le più grandi intuizioni legate all’In-
dustria 4.0 spuntano i Digital Twin, dei
gemelli digitali in grado di replicare nel-
lo spazio virtuale le caratteristiche e le
funzionalità di un prodotto (o sistema, o
macchinario) fisico. Ecco un ebook in cui
ripercorrere la storia di questo modello
tecnologico e capire le sue aree e moda-
lità applicative

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Fabbriche intelligenti, i Digital Twin nell’Industria 4.0

 Indice

Cos’è il Digital Twin: il gemello       1.0      La supervisione umana resta                   5.0
digitale                                         necessaria

Gemelli digitali: i presupposti         2.0      Piattaforme per Digital Twin:                 6.0
necessari                                        alcuni esempi

Come sfruttarli nella produzione        3.0      Digital Twin e grandi aziende                 7.0
industriale
                                                 Conclusione                                   8.0
I framework per l’applicazione          4.0
dei Digital Twin

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                   Tra le tendenze, o forse meglio definirle certezze, dell’Indu-
                   stria 4.0 vi sono i modelli Digital Twin. Si tratta di un elemen-
                   to basilare della nuova rivoluzione industriale, perché fondato
                   sulla doppia valenza identitaria che si snoda tra mondo fisico,
Si tratta di un    reale, e mondo digitale. L’utilizzo del termine Digital Twin in
                   realtà viene spesso allargato ad altri significati, generalizzan-
elemento basi-     do, soprattutto quando viene abbinato ai dispositivi IoT. Ma
                   ciò che è realmente interessante, e particolarmente importan-
lare della nuova   te per il nuovo mondo industriale, è la sua valenza originaria,
rivoluzione        il suo rappresentare l’entità fisica nell’universo digitale.
                   Vediamo in questo ebook di cosa si tratta, quali sono le sue
industriale        applicazioni possibili nel mondo industriale e perché è così
                   importante per lo sviluppo completo di una Smart Factory.

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1.0
Cos’è il Digital Twin:
il gemello digitale

La prima volta che si è parlato di Digital Twin è stato nel 2001, durante un corso di PLM (Product Li-
fecycle Manufacturing) all’Università del Michigan, storico complesso universitario statunitense con
sede ad Ann Arbor.

A ragionarne fu Michael Grieves, esperto di PLM riconosciuto a livello planetario e autore di diversi
volumi fondamentali sull’argomento. Proprio nel 2001, durante una delle sue conferenze sul ciclo del
prodotto, iniziò a descrivere gli estremi del Digital Twin, ossia il gemello digitale e virtuale di un pro-
dotto fisico. Dalla sua intuizione ne scaturiva una doppia dimensione del prodotto: reale e virtua-
le. Doppia valenza che permeava l’intero ciclo di vita, partendo dalla fase di creazione e ideazione,
passando dalla fabbricazione e dal successivo funzionamento, e concludendosi nello smaltimento.
Non solo, nella sua trattazione Grieves poneva anche le condizioni necessarie per la realizzazione
di un gemello digitale. In primis la presenza di prodotti fisici, tangibili, nello spazio reale. In seconda
battuta i corrispondenti prodotti digitali nello spazio virtuale e, in conclusione, un sistema in grado di
collegare lo spazio fisico e lo spazio virtuale attraverso un flusso di dati e informazioni.

Oggi, a distanza di vent’anni, la filosofia legata al concetto di Digital Twin si è evoluta ed è giunta a
palesarsi come un cardine delle Smart Factory e dell’Industria 4.0. Utilizzando lo spazio virtuale, ad
esempio, è attualmente possibile immaginare e valutare il comportamento di prodotti e sistemi nella
dimensione digitale, senza per forza dover ricorrere a modelli bidimensionali o addirittura a prototi-
pi fisici. Questo è possibile grazie ai passi enormi effettuati dalla tecnologia industriale. Software di
progettazione e simulazione sempre più efficaci permettono di riproporre un ambiente di produzio-
ne estremamente reale, dove è possibile analizzare dati in tempo reale, testare il prodotto o il siste-
ma o il macchinario, modificarlo e impostare processi di “what-if”.

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2.0
Gemelli digitali:
i presupposti necessari

È chiaro che in questi vent’anni che hanno separato i primi segnali di Digital Twin dalla sua perfetta
realizzazione si sia lavorato in modo costante per migliorare ogni aspetto di questa rivoluzione. In
particolare gli esponenti dell’Industria 4.0 hanno nel tempo perfezionato tecniche, approcci e requi-
siti basilari. In relazione a questi ultimi è ormai appurato che ne esistano alcuni imprescindibili per
ogni azienda che vuole sfruttare la tecnologia dei gemelli digitali. Eccoli nel dettaglio.

        Connettività:
        la rete di comunicazione è fondamentale per fare
        in modo che la creazione del Digital Twin abbia
        successo. I dati devono essere trasferiti dagli
        elementi fisici agli elementi virtuali con la massi-
        ma sicurezza e la massima affidabilità;

        Piattaforme digitali adeguate:
        ovvero dei moderni software in grado di riunire,
        archiviare e combinare i dati. Questo permette
        di ricavare poi tutte le informazioni utili per la
        creazione di un gemello digitale perfettamente
        aderente al suo doppelgänger fisico;

        Autonomia e omogeneità:
        significa che un Digital Twin deve essere in gra-
        do di vivere indipendentemente dalle altre re-
        altà (autonomia); allo stesso tempo deve essere
        utilizzabile per diversi ambienti di produzione
        (omogeneità);

        Personalizzazione:
        altro aspetto molto importante legato ai risulta-
        ti restituiti dal gemello digitale. Un’entità fisica
        deve essere modificabile e personalizzabile a
        seconda delle indicazioni offerte dal Digital Twin.

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3.0
Come sfruttarli nella
produzione industriale?

Grazie ai Digital Twin l’Industria 4.0 ha aumentato di molto il proprio potenziale. I gemelli digitali
consentono di offrire una visibilità senza precedenti sulle risorse e sulla produzione. In questo modo
diventa molto più semplice individuare i problemi, apportare sviluppi significativi sul prodotto, sem-
plificare le operazioni.

                                                          Manutenzione predittiva: utilizzando il siste-
Per meglio capire come questa                             ma Digital Twin l’azienda sceglie un approccio
novità rappresenti un cardi-                              olistico sullo stato di salute e prestazionale di
ne fondamentale nella quarta                              un’apparecchiatura, come di un prodotto. Ciò si-
                                                          gnifica che si assume una visione completa della
rivoluzione industriale è utile                           macchina in sé, non solamente di parti di essa.
elencare quelle che sono le tre                           In questo modo è più facile identificare malfun-
                                                          zionamenti e anomalie nella fase di produzione
principali applicazioni nell’eco-                         e risulta più immediato effettuare operazioni di
sistema industriale.                                      manutenzione. Il prodotto (o il sistema, o il mac-
                                                          chinario) diventa più affidabile e la risoluzione di
                                                          eventuali guasti richiede minor dispendio eco-
                                                          nomico.

Pianificazione e ottimizzazione del processo:             Progetto del prodotto e il suo prototipo virtuale:
i software e le piattaforme utilizzate per creare         la presenza di modelli virtuali dei prodotti aiu-
Digital Twin apportano inevitabilmente un ef-             ta le imprese a ottenere informazioni cruciali
ficientamento di tutto il processo di creazione,          su elementi come: modelli di utilizzo, punto di
produzione e smaltimento del prodotto. I proble-          degrado, capacità del carico di lavoro, difetti di
mi vengono diagnosticati più velocemente, così            produzione. In questo modo i progettisti e gli
come le inefficienze. Gli sprechi vengono ridotti         sviluppatori possono calibrare con estrema peri-
e i rendimenti crescono. Inoltre la possibilità di        zia la progettazione di tutti i componenti. Conte-
avere sempre più dati a disposizione, in modo             stualmente questa può rivelarsi una grande arma
più veloce e preciso, può aiutare la pianificazione       a livello commerciale. Infatti la prototipazione
della produzione evitando, ad esempio, tempi di           virtuale consente di offrire lo stesso prodotto a
inattività.                                               clienti diversi ma con caratteristiche lievemente
                                                          modificate a seconda del contesto in cui il pro-
                                                          dotto verrà utilizzato.

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                           4.0
                           I framework per
                           l’applicazione dei
                           Digital Twin

                       Per applicare i Digital Twin nell’ambito industria-
                       le ci si affida ai framework di progettazione. Un
                       ipotetico framework applicativo è caratterizzato
                       da 3 aree: spazio fisico, spazio virtuale e livello di
                       processamento delle informazioni. Come risaputo,
                       all’interno dello spazio fisico convivono macchine,
                       materiali, persone software e altri attori. Ognuno
                       di questi comunica con l’altro senza la necessità di
                       avvalersi di una tecnologia IoT. Per questo motivo
                       tutti i dati raccolti da questa interconnessione ven-
                       gono integrati grazie ad appositi sistemi informativi
                       di gestione. Successivamente i dati raccolti verran-
                       no impiegati per gestire tutti i processi.
                       Lo spazio virtuale, a sua volta, elabora dati e mo-
                       delli virtuali attraverso piattaforme specifiche.
                       Successivamente questi dati vengono utilizzati per
                       essere confrontati con i dati storici forniti dallo
                       spazio fisico. Come? Attraverso il terzo elemento
                       del framework, il livello di processamento delle
                       informazioni. Questo si presenta come un canale
Per applica-           bidirezionale in grado di collegare i due spazi, quel-
                       lo fisico e quello virtuale. Al suo interno si distin-
re i Digital Twin      guono tre fasi operative: l’archiviazione dei dati, il
nell’ambito indu-      loro processamento e la loro mappatura. In questo

striale ci si affida   livello vengono amalgamate le informazioni tec-
                       niche ottenute dallo spazio fisico e le valutazioni
ai framework di        (seguenti alle simulazioni) ottenute dallo spazio vir-

progettazione          tuale. Una volta integrate tutte queste informazioni
                       vengono sincronizzate per procedere alle migliori
                       decisioni produttive.

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5.0
La supervisione uma-
na resta necessaria

L’interconnessione tra spazio fisico e spazio vir-
tuale appartiene quindi a una logica di automa-
tizzazione del processo.

   Ad esempio la valutazione specifica di determinate informa-
   zioni può generare automaticamente degli allarmi, oppure
   attivare intenzionalmente delle azioni preimpostate.

Ma se il processo è automatico, lo stesso non si
può dire per le scelte che vengono effettuate a
monte. Per questo motivo la supervisione uma-
na è ancora più che necessaria. Il supervisore,
detto anche mediatore, è colui che definisce gli
obiettivi del processo e quindi procede all’impo-
stazione del Digital Twin.

Il compito del mediatore si suddivide principal-
mente in due fasi. La prima, chiamata fase di
sintesi, consiste nella raccolta dei dati e nella co-
struzione del processo. La seconda, denominata
fase di esecuzione, prevede l’invio dei messaggi
di input a ogni Digital Twin, in modo che possa-
no essere eseguiti i messaggi prestabiliti.

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      6.0
     Piattaforme per Digital
     Twin: alcuni esempi
     Con l’evoluzione del Digital Twin il mondo dell’Industria 4.0
     può contare su diverse piattaforme interessanti e performanti,
     in grado di eseguire al meglio questa innovativa tecnologia.
     Ecco le migliori.

01   Eclipse Ditto: si tratta di una piattaforma pensata per imple-
     mentare il modello software del Digital Twin. Il suo supporto si
     palesa nella definizione delle API che astraggono l’entità fisica
     dietro un Digital Twin, nella gestione dei criteri di controllo ne-
     gli accessi, nella produzione di notifiche. La forza di Eclipse è
     quella di rispecchiare potenzialmente miliardi di gemelli digitali
     che hanno il proprio alter ego nel mondo delle cose fisiche.

02   Bosch IoT Things: si tratta di una soluzione basata su cloud e
     che ospita Digital Twin impostati su Ditto. Per capire le funzio-
     nalità di Bosch IoT Things è importante capire che non si tratta
     solamente di un cloud legato a Ditto, bensì di un suo potenzia-
     tore. Con questo framework è infatti possibile integrare altri
     progetti fatti con IoT Eclipse, creare un’interfaccia utente per
     meglio monitorare e gestire i gemelli digitali, estendere le fun-
     zionalità di Ditto con funzionalità presenti solamente su Bosch
     IoT Things.

03   Azure Digital Twins: si tratta di una sorgente IoT che ha lo
     scopo di creare ambienti fisici intersecandoli con l’intelligenza
     spaziale. Questo permette di avere una visione gerarchica delle
     relazioni tra persone, luoghi e dispositivi.

04   AWS IoT Device Shadow Service: framework pensato per ar-
     chiviare e recuperare tutte le informazioni inerenti a un dispo-
     sitivo. La sua funzionalità è quella di offrire un servizio “ombra”
     per tutti i dispositivi a esso collegati. Così facendo è possibile
     ottenere tutte le informazioni relative a un dispositivo.

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7.0
Digital Twin e grandi aziende

Ovviamente le grandi aziende hanno abbracciato fin da subito l’opportuni-
tà offerta dai Digital Twin, una scelta strettamente legata alla possibilità di
testare prodotti/macchinari con estrema precisione, valutarne l’efficienza e
capirne l’effettivo costo economico.
Di seguito riportiamo alcuni esempi di grandi aziende che hanno deciso di
percorrere la strada dei gemelli digitali.

01
General Electric: i vertici di General Electric non hanno dubbi. Secondo
loro il modello di Digital Twin è “Un modello vivente che guida un risultato
di business”. GE è stata una delle prime grandi aziende a puntare sui ge-
melli digitali. Inizialmente la loro attenzione si è posta sulle turbine degli
aerei e sulle centrali elettriche. Successivamente l’utilizzo è stato esteso
a tutta la produzione per ottenere un perfetto strumento previsionale e
decisionale. GE ha costruito gemelli digitali per tutti i suoi processi di ma-
nifattura e per tutti gli asset industriali. Non solo, nel 2016 hanno lanciato
sul mercato anche una piattaforma di loro produzione, Predix, pensata per
dotare ogni macchinario di IoT.

02
Siemens: nel settore informatico uno dei brand più attivi è Siemens. La
multinazionale tedesca riesce oggi a ricoprire con il modello Digital Twin
l’intera catena del prodotto: meccanica, software, elettronica. Di conse-
guenza, oltre a un utilizzo interno, offre sul mercato soluzioni Digital Twin
ideali per il design, per la prototipazione, per la produzione e per la gestio-
ne logistica.

03
SAP: è una multinazionale europea nell’ambito di produzione di software
gestionali, particolarmente votata all’utilizzo dell’IoT. Oltre ad avere impo-
stato la produzione interna sul modello di Digital Twin è anche fornitrice
di SAP Leonardo, un portafoglio di applicazioni IoT studiato per connettere
persone, processi e dispositivi intelligenti, tra le quali spicca il sistema di
modellazione per Digital Twin.

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Conclusione

L’ecosistema virtuale oggi non può prescindere dall’idea di Digital Twin. Le grandi real-
tà industriali hanno già iniziato ad avvicinarsi a questo modello tecnologico. I vantaggi
sono molteplici, dall’importante ritorno di business alla possibilità di testare e preve-
dere con largo anticipo eventuali criticità di produzione.

A rendere queste operazioni ancora più efficaci ci sono strumenti e framework pen-
sati appositamente per facilitare la comunicazione tra realtà fisica e realtà virtuale.
Dotati di interfacce sincrone e asincrone, i framework consentono una trasmissione
dati continua e impeccabile. In questo modo simulazione e previsione diventano l’ele-
mento fondante della produzione industriale e un ottimo viatico per l’ottimizzazione di
tutto il processo produttivo.

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                  Digital Twin nell’Industria 4.0

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