Il progetto SIAF
Introduzione: una rivoluzione tecnologica per l’Industria 4.0
Negli ultimi anni, l’industria alimentare ha visto un’accelerazione nell’adozione di tecnologie digitali per migliorare i processi produttivi, ridurre i costi e aumentare l’efficienza operativa. L’evoluzione dell’Industria 4.0 ha portato alla necessità di sistemi interconnessi, intelligenti e capaci di apprendere dal proprio funzionamento per ottimizzare il rendimento delle macchine industriali.
In questo contesto, SimNumerica si è posta come obiettivo, all’interno del progetto SIAF, lo sviluppo di Embedded Digital Twins (eDT), ovvero repliche digitali in tempo reale di macchine industriali, capaci di simulare il loro comportamento fisico per ottimizzare la progettazione, il debug del software di controllo e la manutenzione predittiva.
SimNumerica ha collaborato con l’Università di Padova per sviluppare modelli matematici avanzati, testati e validati attraverso una piattaforma embedded denominata eCfL (embedded Cyber-Physical Lab).
L’obiettivo principale del progetto era quello di creare un ambiente di test virtuale in cui fosse possibile verificare il comportamento delle macchine industriali interconnesse senza la necessità di prototipi fisici, riducendo così i costi e i tempi di sviluppo.
Le macchine coinvolte nel progetto sono:
- un forno industriale
- un abbattitore
- una macchina per il confezionamento sottovuoto.
Obiettivi del progetto
Il progetto SIAF è stato sviluppato per rispondere a diverse esigenze operative e tecnologiche:
1. Simulazione e debug in tempo reale
- Creazione di modelli matematici accurati per simulare il comportamento delle macchine industriali.
- Prototipazione virtuale di sistemi di controllo embedded, per consentire il test del software di gestione prima ancora della produzione del prototipo fisico.
2. Ottimizzazione del processo di sviluppo
- Riduzione dei costi di progettazione attraverso l’uso di Digital Twins anziché prototipi fisici.
- Miglioramento dell’interazione uomo-macchina, con simulazioni realistiche dell’operatore che utilizza il dispositivo.
3. Manutenzione predittiva e analisi dei dati
- Raccolta e analisi dei dati operativi per individuare punti critici e prevenire eventuali guasti.
- Ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle macchine attraverso test virtuali.
Struttura tecnologica del progetto
Architettura Hardware e Software
Il sistema eCfL è stato progettato con un’architettura hardware modulare e flessibile, composta da:
- Due schede elettroniche ultra-low cost:
- Una dedicata alla simulazione e generazione dei segnali, responsabile dell’esecuzione del modello matematico in tempo reale.
- Un’altra per la gestione dei dati, delle comunicazioni Wi-Fi e delle interfacce video.
- Involucro stampato in 3D, ottimizzato per ridurre costi e migliorare l’ergonomia.
- Schermo touch opzionale, con la possibilità di controllare il sistema anche da dispositivi mobili.
dall’esterno, e l’altra alla gestione del sistema, dei dati prodotti, dei moduli video e wi-fi e delle comunicazioni con l’esterno. L’involucro è stato stampato in 3D e progettato con una geometria ottimizzata per l’uso.
Modelli matematici e simulazioni
I modelli matematici sviluppati sono stati implementati nei linguaggi Python e C per garantire una simulazione fedele e ottimizzata per l’esecuzione in tempo reale nei sistemi embedded.
Funzionalità avanzate implementate:
- Simulazione in tempo reale di un modello matematico parametrico della macchina e del processo e configurazione dei parametri operativi (temperatura, ventilazione, cicli di lavoro).
- Monitoraggio delle prestazioni in tempo reale, con raccolta dati dai Digital Twins.
- Predizione del consumo energetico e ottimizzazione dei cicli di lavoro.
Progettazione e implementazione dei prototipi di digital twins
SimNumerica ha realizzato i sistemi eCfL per ogni macchina industriale coinvolta nel progetto.
Le caratteristiche principali dei prototipi di Embedded Digital Twins sono:
- Esecuzione in tempo reale dei modelli matematici.
- Simulazione delle interazioni dell’operatore, come apertura/chiusura delle porte del forno e abbattitore, abbassamento del coperchio della macchina sottovuoto.
- Interfacce utente avanzate, con visualizzazione dati e strumenti di configurazione.
Validazione dei risultati sperimentali
La validazione sperimentale è stata condotta in un laboratorio virtuale, evitando test su macchine fisiche.
Metodologia:
- Confronto tra simulazioni software e dati reali.
- Analisi della precisione dei modelli Python e C.
- Debug avanzato dei software di controllo, con test automatizzati e verifiche remote.
I risultati hanno confermato che i digital twins erano perfettamente allineati con i dati sperimentali raccolti dalle macchine fisiche.
Conclusioni
L’adozione di Embedded Digital Twins ha dei vantaggi molto significativi:
1. Riduzione dei costi e dell’impatto ambientale
- Eliminazione della necessità di numerosi prototipi fisici.
- Risparmio energetico nei cicli operativi.
2. Maggiore efficienza operativa
- Debug del software prima dell’integrazione sulle macchine reali.
- Controllo remoto avanzato tramite interfaccia mobile e cloud.
3. Innovazione tecnologica
- Sviluppo di modelli matematici estremamente accurati.
- Simulazione in tempo reale con possibilità di aggiornamenti e miglioramenti continui.
Il progetto SIAF rappresenta un esempio concreto di innovazione per l’industria alimentare, dimostrando il valore dell’integrazione tra modelli matematici avanzati, hardware embedded e simulazioni real-time.
L’approccio di SimNumerica ha consentito di:
- Migliorare i processi di progettazione e testing.
- Ridurre significativamente i costi di sviluppo.
- Offrire soluzioni di manutenzione predittiva e ottimizzazione energetica.
Grazie ai risultati ottenuti, gli Embedded Digital Twins si confermano una tecnologia strategica per il futuro dell’Industria 4.0, con potenziali applicazioni in numerosi altri settori.
