L'IoT prende il Elevator World Nell’Industria 5.0

È arrivata una nuova era di PLM e sostenibilità. 

di Christian-Erik Thoeny

Questo documento è stato presentato all'Elevcon 2023 a Praga, Repubblica Ceca.

PAROLE CHIAVE: IoT, Industria 5.0, monitoraggio delle condizioni, manutenzione preventiva, gemello digitale, uptime degli ascensori, gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM)

Astratto

Negli ultimi anni l’Internet delle cose (IoT) è stato reso possibile da potenti sistemi cloud. Le larghezze di banda e le velocità di trasferimento dati quasi illimitate consentono ora il monitoraggio e il controllo delle condizioni “in tempo reale”. La salute, la sicurezza e il rendimento, ad esempio, di un sistema di trasporto verticale (VT) di un hotel o di una semplice applicazione per ascensore singolo differiscono in modo significativo da quelli delle soluzioni pre-IoT. I macchinari permanentemente connessi generano dati di vita “in tempo reale” che garantiscono continuamente i cicli di apertura-chiusura della porta più brevi, rilevano tempestivamente tendenze errate di un sottosistema, avvertono di situazioni potenzialmente pericolose e aiutano a ottimizzare il consumo energetico. L’intelligenza artificiale distingue quindi tra sottosistemi e componenti che causano problemi. Ciò rappresenta un contributo decisivo a una nuova era del PLM (gestione del ciclo di vita del prodotto) e, in definitiva, della sostenibilità: Industria 5.0. L’origine di tutte queste analisi e conclusioni intelligenti è la fusione dei sensori; il micro (eco)sistema, la WSN (rete di sensori wireless), il macro (eco)sistema e, infine, la rete totale di tutto: l’IoT COP (immagine operativa comune) o il sistema operativo comune dell’IoT. 

“Lo sviluppo onnipresente delle tecnologie IoT sta inevitabilmente alterando il mondo degli ascensori, un salto di qualità in termini di utilizzo e rendimento del sistema”.

1. introduzione

Gli ascensori autonomi sono in procinto di essere sostituiti da sistemi VT collegati in rete, che fanno parte di un COP più ampio, esempio di riferimento (CSIRO, 2023). Attualmente Singapore è la città più avanzata (*) ad aver creato un intero ecosistema di sistemi connessi: dai trasporti orizzontali e sistemi di trasporto verticale alle strutture sportive e sanitarie, alle organizzazioni e alle attività sociali, ecc., pervadendo praticamente ogni aspetto della vita moderna. Tutto è connesso e ogni dato viene raccolto in una piattaforma data-as-a-service (DaaS) (Figura 1) e, soprattutto, reso accessibile a tutte le parti interessate nel Paese. Gli ascensori sono un elemento essenziale del VT. 

(*) Diverse pubblicazioni supportano questa percezione (BCG Singapore, 2019; Singapore Government EDB, 2023).

Ad esempio, gli ascensori sono monitorati da sistemi di sensori separati gestiti dal governo. Pertanto, le aziende produttrici di ascensori esitano un po’ quando si tratta di consentire al governo l’accesso ai propri dati, quindi vengono installati sistemi di sensori indipendenti. In futuro non sarà possibile impedire che i dati operativi vengano forniti alle piattaforme dati IoT circostanti. Ma questa non è l’unica ragione per creare un sistema di sensori IoT totalmente connesso. Il primo vantaggio immediato di una sensor farm connessa all’IoT, sia che si trovi in ​​un edificio o in più edifici interconnessi, è quello di aumentare l’efficienza di un ascensore (o anche di una scala mobile) e di ridurre il costo complessivo di proprietà attraverso lo stato di -manutenzione preventiva all'avanguardia.

Quale altro motivo potrebbe esserci per “utilizzare l’IoT” nell’ascensore? Il PLM (TECHNIA ADDNODE Group, 2023) di queste macchine sta diventando sempre più essenziale a causa dei requisiti di sostenibilità o semplicemente per l'altissimo grado di standardizzazione e il numero relativamente elevato di unità vendute. L’economia di scala consente una riduzione dei costi per tutti i componenti e solo un PLM avanzato (Figura 2) con un approccio pragmatico all’ottimizzazione dei costi per ogni aspetto del ciclo di vita manterrà competitivo il fornitore.

È facile riconoscere che la maggior parte delle fasi del PLM sono direttamente interessate da una soluzione IoT, migliorando così la disponibilità dei dati sulle condizioni dell’ascensore.

Un aspetto sorprendentemente interessante del PLM è il gemello digitale (A4 SYSTEMS™, 2023), che sta diventando sempre più decisivo per una progettazione all’avanguardia in termini di funzionalità, sicurezza e costi. Perché? Ancora una volta, è abbastanza semplice, davvero. In passato, il gemello digitale era semplicemente una copia di design, ma ora non più. Grazie ai dati di vita “in tempo reale” di un ascensore (e non solo dati provenienti dai sistemi ma anche dall’ambiente reale) il gemello digitale (Figura 3), o meglio i gemelli digitali (più siamo, meglio è), è dotato di un vero e proprio gemello digitale e non solo di un gemello digitale di design, sia esso un aereo o un ascensore. Inteso?

Tutti i dati della vita reale vengono inseriti nel gemello di progettazione, aggiornandolo così a un gemello digitale della vita reale. Questo funge da base ideale per simulare tutte le possibili situazioni di vita reale, calcoli dei costi e ottimizzazioni funzionali. Inoltre, non appena è coinvolta l’intelligenza artificiale, è possibile mappare anche le situazioni pericolose. 

In definitiva, l’Industria 5.0 recentemente proclamata (Figura 4) si basa ampiamente sull’IoT, ovvero offre la disponibilità di un database completo di tutte le condizioni ambientali e delle macchine nella vita reale. Tutti e tre i pilastri annunciati dalla pubblicazione dell’UE (Commissione europea, 2021) – incentrato sull’uomo, sostenibile e resiliente – si basano su dati IoT, analizzati scientificamente dall’intelligenza artificiale. Ovviamente senza sensori non ci sarebbero dati e la tecnologia dei sensori, quindi, gioca un ruolo decisivo in tutto questo.

Il capitolo seguente mostra come un ascensore è conforme e trae vantaggio dall'Industria 5.0.

2. Connessione (di un ascensore) a un sistema cloud IoT

Singapore è l’avanguardia della vita connessa (Figura 5), ​​con tutti i suoi vantaggi e svantaggi. Oggi, l’interconnessione con le piattaforme e i servizi dati è inarrestabile, poiché offre semplicemente troppi vantaggi per poterli ignorare: contribuire a salvare vite umane, aumentare il comfort, migliorare l’efficienza, risparmiare sui costi, migliorare i servizi e, in sostanza, rendere la vita molto più semplice per tutti noi. (Piattaforma intelligente iperconnessa EDB IoT/DaaS del governo di Singapore, accesso nel 2023). Pertanto, sempre più comunità sono destinate a seguire questa tendenza. Verranno stabiliti nuovi modelli di business per sostituire quelli vecchi, consentendo agli OEM di operare meglio e adattarsi.

In passato l’unico ostacolo era la larghezza di banda o la velocità di trasferimento dei dati alle piattaforme dati o ai cloud subordinati. Ma non più. L’interconnessione dei sistemi di cavi in ​​fibra di vetro con il 5G offre ora 10 Gbit/s e velocità più elevate anche nella catena più debole. La combinazione della fibra di vetro ottica, per le dorsali dei sistemi subordinati, con reti Ethernet, PON, WLAN, LAN, ecc., rende la raccolta dei dati – e, in definitiva, l’elaborazione – estremamente potente. Infine, il sistema di comunicazione 5G, già ampiamente utilizzato, garantisce una raccolta dati e un feedback sufficienti indipendentemente dalla posizione.

Si potrebbe dire che l’ultimo miglio è stato sbloccato e, per fare un esempio, una comunità è ora in grado di connettere tutti i dispositivi (Figura 6), indipendentemente dal fatto che si trovi in ​​una zona remota o di difficile accesso, rendendo così la sua dati disponibili. I dati vengono inviati al cloud e tutta la necessaria pre-elaborazione, analisi scientifica (AI) e la fornitura di funzionalità sulla piattaforma dati possono essere eseguite, se necessario, in tempo reale.

2.1 Barriere fotoelettriche intelligenti e sensori di prossima generazione per l’IoT

È possibile reinventare il concetto vecchio di decenni di barriera fotoelettrica? Sì. Il “valore di combattimento” di una barriera fotoelettrica (Figura 7) può essere aumentato se le condizioni, le prestazioni e le anomalie del sistema vengono misurate, monitorate e rese disponibili in tutte le situazioni: 

• Movimento della porta 
• Oggetto tra le porte 
• Viaggio in auto
• Posizione della cabina nel vano
• Condizioni ambientali

Non vi è quindi alcun dubbio che la fusione dei sensori (Figura 8) sia un prerequisito. Un enorme vantaggio è la facilità del servizio, ovvero il sistema prevede quale componente è necessario e cosa fare, il che significa che sono necessari meno lavoratori qualificati.

Per ottenere tutti i dati necessari sulle condizioni sono necessari sensori multifunzione (Gruppo CEDES, 2017-2022); funzionalità aggiuntive possono essere fornite dalla stessa fusione di sensori (diversi tipi di sensori diversi in uno).

Ulteriori funzionalità hanno valore solo se i dati acquisiti vengono trasmessi a cloud subordinati. Pertanto, i sensori o la fusione dei sensori devono essere in grado di comunicare con una velocità dati sufficiente. L'obiettivo, ovviamente, è quello di trasmettere i dati con un frame rate ritenuto adeguato alla situazione in questione e il più vicino possibile al "tempo reale". Inutile dire che la trasmissione di tutti i dati grezzi non è realistica e che una pre-elaborazione efficiente e un’adeguata estrazione delle caratteristiche nel sensore (fusione) sono inevitabili, anche con l’elaborazione basata sull’intelligenza artificiale.

I sensori 3D sostituiranno prima o poi le barriere fotoelettriche intelligenti, che sono già parzialmente potenziate con funzionalità 3D. Il codice di sicurezza statunitense A17.1 per ascensori e scale mobili prevede varie funzionalità, ad esempio il monitoraggio pre-area, che non possono essere ottenute senza una vera funzionalità 3D (Gruppo CEDES, 2017-2022).

Ma ci sono anche sensori 3D completi e reali in grado di salvaguardare l'intera anta della porta, garantendo che tutte le parti mobili siano coperte/protette. Gli stessi sensori sono inoltre in grado di contare con precisione i passeggeri sia in salita che in discesa e, mediante il monitoraggio dell'area di ingresso, aiutare le persone disabili o anziane ad entrare in sicurezza in un ascensore in attesa. Altre caratteristiche includono la prevenzione del movimento involontario della cabina (UCM) o il rilevamento quando le parti mobili della cabina e i pavimenti (ad esempio le porte) iniziano a scivolare e richiedono quindi la manutenzione preventiva quando necessario. Il sensore multiasse ToF (tempo di volo) compatto e dirompente di CEDES sarà in grado di raggiungere e fornire questo livello di intelligenza.  

Come fusione di sensori e/o all'interno di una rete di sensori, tali sensori 3D (Figura 9) sono imbattibili raccoglitori di dati IoT e fornitori di funzionalità (Gruppo CEDES, 2017-2022).

2.2 Sistemi di sensori e reti fino a un COP

Non si tratta solo di fusione di sensori (Figura 10), poiché i sistemi di sensori sono anche collegati in reti e sistemi subordinati per creare un COP (esempio di riferimento ricerca sulla sicurezza informatica CSIRO, accesso 2023) o un quadro operativo comune. La fusione dei sensori è già comune nel settore automobilistico.

• Sensori potenziati o nuvole di punti 3D dinamici in evoluzione; con conseguente salto di qualità nell’intelligenza superiore
• Fusione dei sensori; il micro(eco)sistema
• Rete di sensori senza fili (WSN); il macro (eco)sistema
• IoT; rete totale di “tutto” – COP 

3. Digital Twin, la base del PLM e dell'Industria 5.0

Un gemello digitale è una rappresentazione digitale di un prodotto unico attivo o di un sistema prodotto-servizio unico che comprende le sue caratteristiche, proprietà, condizioni e comportamenti selezionati mediante modelli, informazioni e dati all'interno di una singola o anche attraverso più fasi del ciclo di vita (Enciclopedia CIRP dell'ingegneria della produzione).

Il professor Grieves del Florida Institute of Technology è stato intervistato dall'American Society of Mechanical Engineers. Alla domanda: "Sarebbe giusto dire che il ruolo dell'ingegnere in un gemello digitale avanzato basato sull'intelligenza artificiale è quello di decidere i set di dati?" Grieves rispose:

“Ricorda, come esseri umani, il nostro obiettivo è l’orientamento agli obiettivi, ma non minimizziamo sempre le risorse. L’intelligenza artificiale può aiutarci a ridurre le risorse avvisandoci su cosa non funzionerà o se è già stata provata in precedenza. Servirà come potenziamento per gli umani. Francamente, tutti i dati raccolti sono travolgenti per gli esseri umani. Con questi dati, l’intelligenza artificiale può organizzare e ottimizzare il nostro processo decisionale fornendo agli esseri umani i percorsi ingegneristici più ragionevoli. Gli esseri umani sono troppo ottimisti e tendiamo a guardare solo i dati che confermano ciò che stavamo pensando. Credo che l’intelligenza artificiale possa aiutarci in questo settore”. 

Ci sono aree tecniche estremamente avanzate nei gemelli digitali; gli aerei, ad esempio, sono predestinati per queste applicazioni (Grieves M., 2022).

Il Common Analysis Toolset Data Manager (CATDM) di Lockheed Martin Aeronautics è uno strumento che genera il gemello digitale strutturale di un aereo (Figura 11). Un gemello digitale strutturale viene utilizzato per visualizzare tutti i dati noti di una risorsa fisica in uno sportello unico digitale. Si tratta di una replica digitale che include informazioni sui materiali, dati di test, configurazione e risultati di gestione della forza basati sugli ambienti operativi. 

Lo strumento compila dati di configurazione dell'aereo F-35, analisi, risultati e documenti storici da varie fonti per ciascun numero di coda a livello di codice prodotto. Ciò include elementi come l'efficacia della versione del tipo, la posizione dei punti di controllo, l'analisi delle sollecitazioni, le foto dei danni e delle riparazioni esistenti, i dettagli delle ispezioni e altro ancora. Di conseguenza, i clienti di Lockheed Martin beneficiano di un risparmio sui costi fino al 75% nel servizio F-35. 

Durante le missioni F-35 viene raccolta un’enorme quantità di dati, non solo da un aereo ma principalmente da tutti gli aerei in servizio (Lockheed Martin CATDM, 2023). L’aereo da caccia è dotato di un numero “innumerevole” di sistemi di sensori che inviano continuamente dati al sistema e al cloud IoT. Ciò si traduce in un COP perfetto che rappresenta l'aereo in tutte le condizioni ambientali. In conclusione, il gemello digitale è letteralmente più ricco di informazioni rispetto a ogni prodotto che contribuisce al gemello digitale. 

3.1 PLM di un Prodotto

Non è solo l’utente a trarre vantaggio dal gemello digitale aumentato. Al produttore viene fornito un inestimabile flusso di informazioni per le sue attività di innovazione e sviluppo. Le versioni successive e successori si basano interamente sull’enorme quantità di dati analizzati scientificamente dall’intelligenza artificiale. Immaginate quanti errori si potranno evitare e quanti miglioramenti rivoluzionari verranno presi in considerazione. Queste informazioni aiutano in ogni fase del PLM. Si inizia con innovazione e sviluppo; i tempi del ciclo di sviluppo verranno ridotti in modo significativo e le modifiche ingegneristiche ridotte al minimo. L’assenza di difetti fin dalla progettazione sarà, con ogni probabilità, completamente evitata. Estremamente interessanti sono le informazioni sulla sostenibilità, che si tratti della riutilizzabilità degli elementi, dell'uso dei migliori materiali per la produzione o del minor consumo energetico durante il funzionamento: tutto ciò ha un impatto ambientale positivo.  

3.2 Ruolo del PLM negli ascensori

Gli stessi metodi che valgono per gli aerei possono essere applicati anche agli ascensori, ma sono ovviamente molto meno complessi. Oltre a tutti gli aspetti positivi, come il risparmio sui costi, la manutenzione preventiva e l'aumento dell'efficienza, c'è un aspetto eccezionale: quando il feedback viene fornito dagli ascensori in servizio tramite sistemi di sensori IoT (Figura 12), la sicurezza degli ascensori può essere aumentata in modo significativo . Le analisi basate sull’intelligenza artificiale scoprono tutte le fonti di pericolo nella progettazione e nei materiali applicati.

I fattori ESG (Environment, Social, Governance) sono in cima alla nostra agenda. Pertanto, la tutela dell’ambiente e, in generale, la sostenibilità giocano un ruolo chiave. Al giorno d'oggi, ci sono milioni di ascensori in servizio e il risparmio può raggiungere una somma considerevole.  

L’interpretazione del ciclo di vita mostra che la maggior parte degli impatti ambientali di un ascensore si verificano durante il suo periodo di utilizzo, e la generazione di elettricità rappresenta uno dei principali impatti ambientali durante questo periodo. La quantità di CO₂le emissioni generate durante la vita di un ascensore ammontano a circa 35 t. Circa l’80% della CO₂ Le emissioni sono generate durante l'utilizzo dell'ascensore, così come circa il 71% delle emissioni di ossido di azoto e circa l'82% delle emissioni di ossido di zolfo. In confronto, CO₂ le emissioni durante la produzione dei materiali sono il 15% e durante la produzione dei componenti il ​​3% del totale. 

I valori LCA del trattamento di fine vita provengono dal processo di riciclaggio dei rottami multimetallici. Alcuni componenti non necessitano di un processo di separazione multimetallo, poiché possono essere fusi in fonderia senza pre-lavorazione. La quantità presunta di materiale che richiede la separazione multimetallo è pari al 45% del peso del materiale dell'elevatore. Quando i metalli vengono riciclati si verifica una chiara riduzione degli impatti ambientali del ciclo di vita, principalmente perché il riciclaggio dei metalli riduce la domanda di metalli primari come materie prime. In media, il 70% dei rottami metallici viene utilizzato nella produzione di ghisa e il 20% nella produzione di lamiera d'acciaio (Swedish Environmental Management Council, 1999).

3.3 Industria 5.0

Gli elementi chiave dell’attuale Industria 4.0 includono automazione, robotizzazione, analisi dei big data, sistemi intelligenti basati su sensori, virtualizzazione, intelligenza artificiale, apprendimento automatico e IoT.

Non tutte le aziende hanno considerato tutti gli aspetti dell’Industria 4.0. Fortunatamente non c’è motivo di preoccuparsi poiché il concetto di Industria 5.0 (Figura 13) è ancora abbastanza nuovo. 

L’Industria 5.0 dell’Unione Europea “fornisce una visione dell’industria che va oltre l’efficienza e la produttività come unici obiettivi e rafforza il ruolo e il contributo dell’industria alla società”. E “pone il benessere del lavoratore al centro del processo produttivo e utilizza le nuove tecnologie per garantire prosperità oltre l’occupazione e la crescita, rispettando i limiti produttivi del pianeta”. Integra l’approccio dell’Industria 4.0 “mettendo specificamente la ricerca e l’innovazione al servizio della transizione verso un’industria europea sostenibile, incentrata sull’uomo e resiliente” (Commissione europea, 2021).

L’Industria 5.0 sposta l’attenzione dal valore economico al valore sociale e dal welfare al benessere. Si tratta di un risultato notevole, poiché rimette la forza lavoro al centro dello sviluppo, della produzione e dell’utilizzo del prodotto (Forbes, 2022):

“L’idea di Industria 5.0 non si limita all’”industria”. Si applica a ogni settore e a ogni organizzazione a cui si possa pensare. Ciò significa che la sua applicabilità è significativamente più ampia rispetto all’Industria 4.0. Pertanto, quando si discute delle implicazioni dell’Industria 5.0 per la strategia, dobbiamo adottare una prospettiva ampia e generale applicabile a tutti i settori. Come spiega la Commissione Europea in questa infografica, l’Industria 5.0 si fonda su tre pilastri fondamentali: incentrato sull’uomo, resiliente e sostenibile. Tutti e tre hanno implicazioni significative per la strategia aziendale”. 

Come catena abilitante (Figura 14), l'intera gamma di prodotti e sistemi di sensori, dispositivi connessi all'IoT, strategie di analisi scientifica basate sull'intelligenza artificiale nei cloud, piattaforme dati, SaaS (software-as-a-service) e DaaS che forniscono servizi digitali I PLM a doppia base supportano tutti la più recente rivoluzione industriale (o meglio evoluzione) denominata Industria 5.0.

4. Riepilogo e confusione

Molti elementi che si fondono in uno agiscono come una catena abilitante. Le velocità di trasferimento dati notevolmente aumentate consentono finalmente ai sistemi di reagire in “tempo reale”. La fusione intelligente dei sensori basata sull'estrazione di funzionalità precalcolate dall'intelligenza artificiale intrinseca serve a monitorare e controllare l'intero prodotto e consente un salto di qualità verso un livello di prestazioni più elevato. Le funzionalità sono rese disponibili nei cloud, migliorate da ulteriori analisi scientifiche, sia per il sistema reale che per supportare i gemelli digitali, che sono un'importante fonte di informazioni PLM. In definitiva, l’intera filiera contribuisce a trasformare l’Industria 4.0 in Industria 5.0.

La “catena abilitante” aiuta a ottenere enormi risparmi in tutti gli aspetti dell’uso quotidiano di prodotti, macchine e sistemi sia nelle comunità che nelle strutture. Il risparmio diretto sui costi è immediatamente evidente, è possibile aumentare l'efficienza e il comfort e, soprattutto, è possibile realizzare risparmi energetici significativi, proteggendo così l'ambiente. Inoltre, è possibile prevedere situazioni pericolose in tutti gli elementi distinti dall'intelligenza artificiale e, quindi, evitare incidenti, aumentando notevolmente la sicurezza.

Ringraziamenti

Anche dopo 10 anni presso CEDES, è ancora un piacere collaborare ogni giorno con ottimi colleghi del management team in un entusiasmante ambiente high-tech. Questa è un'esperienza eccezionale e uno degli elementi essenziali della vita. Mille grazie a mia moglie Luzia e ai miei figli Lola, Sina e Julie, la cui pazienza sostiene la mia passione; a tutti i dipendenti CEDES e, in particolare, a tutti i clienti che hanno contribuito a garantire il raggiungimento continuo di ottimi risultati. I nostri stimati fornitori ci hanno aiutato a superare recentemente alcuni momenti incerti e difficili. Un grande ringraziamento anche a tutti i soggetti interessati.

---

Referenze 

[1] SISTEMI A4 (2023). Entra nel futuro con un Digital Twin. Accesso 2023. a4.systems/fr/blog-step-into-the-future-with-a-digital-twin/

[2] Rapporto sul mercato di BCG Singapore (2023). Accesso 2023. bcg.com/publications/2019

[3] Gruppo CEDES (2017-2022), Documenti tecnici vari e brochure

[4] CSIRO (2023). Quadro operativo comune informatico (CCOP). Accesso 2023. search.csiro.au/cybersecurity-quantum-systems/cyber-common-operating-picture-ccop/

[5] Commissione europea (2021). Verso un’industria più sostenibile, resiliente e incentrata sull’uomo. Ricerca e innovazione della Commissione europea 7.1.21. Accesso 2023. search-and-innovation.ec.europa.eu/news/all-research-and-innovation-news/industry-50-towards-more-sustainable-resilient-and-human-centric-industry-2021-01 -07_it

[6] Forbes (2022). Cos’è l’Industria 5.0 e come cambierà radicalmente la tua strategia aziendale? Accesso 24.5.2022. forbes.com/sites/jeroenkraaijenbrink/2022/05/24/what-is-industry-50-and-how-it-will-radicaly-change-your-business-strategy/?sh=251e488320bd

[7] Grieves, M. (2022). I gemelli digitali intelligenti e lo sviluppo e la gestione di sistemi complessi. Gemello Digitale 2022, 2(8). 

[8] Lockheed Martin (2023). Common Analysis Toolset Data Manager (CATDM), accesso 2023 lockheedmartin.com/f35/news-and-features/delivering-digitally-for-f35-force-management-solution.html

[9] EDB del governo di Singapore (2023). Piattaforma intelligente iperconnessa IoT/DaaS. Accesso 2023 edb.gov.sg/en/business-insights/insights/to-build-a-smart-nation-singapore-must-be-hyperconnected.html

[10] Consiglio svedese per la gestione ambientale (1999).

[11] Gruppo TECHNIA ADDNODE (2023). Immagine di esempio PLM, accesso nel 2023 technia.com/finland/