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News28 Ottobre 2020Milano
L’AI per il controllo di qualità sulla linea
L'intelligenza artificiale per l'industria del futuro
Premessa
L'intelligenza artificiale (IA) o in inglese artificial intelligence (AI) è stata al centro della ricerca per oltre 30 anni. Negli ultimi anni sono stati compiuti importanti progressi in termini di hardware e software oltre che di potenza di calcolo e trasmissione dei dati. Queste recenti innovazioni hanno reso infine possibile l’utilizzo industriale delle più avanzate tecnologie di reti neurali (deep learning) ed apprendimento automatico. L'uso dell'intelligenza artificiale crea opportunità completamente nuove per una produzione che sia flessibile ed efficiente, anche quando si tratta di prodotti complessi e sempre più personalizzati in piccole serie. Le conseguenze saranno significative, come dimostra uno studio di Roland Berger: entro il 2035, i sistemi e le catene di processo intelligenti, collegati in reti digitali potrebbero rappresentare una crescita aggiuntiva di circa 420 miliardi di euro nella sola Europa occidentale. Secondo uno studio di PwC, l'IA può contribuire fino a 15,7 trilioni di dollari USA all'economia globale nel 2030.Le prime applicazioni di intelligenza artificiale sono già realtà nelle normali attività industriali, incluso il riconoscimento vocale, per eseguire attività di base, documentare l'ambiente circostante tramite telecamere, raggi laser o raggi X e fornire assistenti personali virtuali nella logistica. Secondo lo studio PwC, nel 2018 il 62% delle grandi aziende utilizzava già la tecnologia AI nel suo portafoglio. Siemens ha soluzioni nel suo portafoglio nell'area del service, come ad esempio la manutenzione predittiva e altre applicazioni per ingegneria e test di qualità. Le soluzioni cloud come MindSphere e le applicazioni intelligenti forniscono supporto per l'ottimizzazione dei processi in corso, migliorando l'efficienza e la disponibilità della macchina.
L'intelligenza artificiale (IA) o in inglese artificial intelligence (AI) è stata al centro della ricerca per oltre 30 anni. Negli ultimi anni sono stati compiuti importanti progressi in termini di hardware e software oltre che di potenza di calcolo e trasmissione dei dati. Queste recenti innovazioni hanno reso infine possibile l’utilizzo industriale delle più avanzate tecnologie di reti neurali (deep learning) ed apprendimento automatico. L'uso dell'intelligenza artificiale crea opportunità completamente nuove per una produzione che sia flessibile ed efficiente, anche quando si tratta di prodotti complessi e sempre più personalizzati in piccole serie. Le conseguenze saranno significative, come dimostra uno studio di Roland Berger: entro il 2035, i sistemi e le catene di processo intelligenti, collegati in reti digitali potrebbero rappresentare una crescita aggiuntiva di circa 420 miliardi di euro nella sola Europa occidentale. Secondo uno studio di PwC, l'IA può contribuire fino a 15,7 trilioni di dollari USA all'economia globale nel 2030.Le prime applicazioni di intelligenza artificiale sono già realtà nelle normali attività industriali, incluso il riconoscimento vocale, per eseguire attività di base, documentare l'ambiente circostante tramite telecamere, raggi laser o raggi X e fornire assistenti personali virtuali nella logistica. Secondo lo studio PwC, nel 2018 il 62% delle grandi aziende utilizzava già la tecnologia AI nel suo portafoglio. Siemens ha soluzioni nel suo portafoglio nell'area del service, come ad esempio la manutenzione predittiva e altre applicazioni per ingegneria e test di qualità. Le soluzioni cloud come MindSphere e le applicazioni intelligenti forniscono supporto per l'ottimizzazione dei processi in corso, migliorando l'efficienza e la disponibilità della macchina.
L'intelligenza artificiale, con tutte le sue diverse sfaccettature, contribuisce in modo considerevole, soprattutto nell'industria, a ridurre le normali spese di programmazione e di ingegneria, rendendo la logica di controllo più agile e flessibile rispetto ai cambiamenti delle condizioni ambientali e strutturando i processi produttivi con maggiore flessibilità e precisione. L’AI in ambito industriale sviluppa, infatti, la possibilità di potenziare le macchine ad apprendere senza essere esplicitamente programmate.
Siemens, in tal senso, offre soluzioni scalabili dal livello di campo al controllore, al livello di bordo macchina con la sua nuova piattaforma di edge computing e fino al Cloud. Ciò significa che una soluzione AI può essere adattata in base all'ambiente e all'applicazione di destinazione: a livello di macchina sul campo, dove sono necessarie decisioni deterministiche e veloci, oppure su tutte le macchine o impianti con una quantità di dati da elaborare significativamente maggiore e una corrispondente richiesta di potenza di calcolo.
L'intelligenza artificiale è destinata a svolgere un ruolo chiave nel ridurre gli sforzi di programmazione e ingegneria necessari per creare soluzioni di automazione. Renderà la logica di controllo più agile e i processi di produzione più flessibili e precisi, soprattutto nell'industria.
Siemens ha già realizzato applicazioni sul sistema di riconoscimento visuale degli oggetti con AI. È molto più avanzato rispetto ai tradizionali strumenti di vision system. Tradizionalmente i sistemi di visione hanno sempre funzionato bene su oggetti con variazioni minime incontrando difficoltà nelle situazioni in cui l'elemento da riconoscere era molto variabile rispetto ad una figura di riferimento standard. Questi sistemi si basano, infatti, su regole codificate in modo rigido o su immagini ben definite senza difetti (immagini campione) che vengono confrontate con l'acquisizione dell'oggetto reale. Di conseguenza, diventa un compito difficilissimo gestire tutte le possibili eccezioni e allo stesso tempo prevedere molteplici immagini campione e garantire le performance di qualità e di velocità richieste dall'applicazione.
Gli algoritmi basati sull’apprendimento automatico superano questi limiti ad un costo più basso, aiutando ad esempio i sistemi che eseguono controlli di qualità visiva negli impianti di produzione o i sistemi robotici guidati da immagini, facendoli reagire in modo molto più flessibile alle situazioni impreviste ed ai difetti di produzione.La loro forza si evidenzia in compiti di ispezione di oggetti complessi e apparentemente simili, ma mai uguali, con la classificazione di più categorie di difetti, la verifica del corretto assemblaggio e localizzazione nello spazio libero dei componenti stessi.
Siemens, in tal senso, offre soluzioni scalabili dal livello di campo al controllore, al livello di bordo macchina con la sua nuova piattaforma di edge computing e fino al Cloud. Ciò significa che una soluzione AI può essere adattata in base all'ambiente e all'applicazione di destinazione: a livello di macchina sul campo, dove sono necessarie decisioni deterministiche e veloci, oppure su tutte le macchine o impianti con una quantità di dati da elaborare significativamente maggiore e una corrispondente richiesta di potenza di calcolo.
L'intelligenza artificiale è destinata a svolgere un ruolo chiave nel ridurre gli sforzi di programmazione e ingegneria necessari per creare soluzioni di automazione. Renderà la logica di controllo più agile e i processi di produzione più flessibili e precisi, soprattutto nell'industria.
Siemens ha già realizzato applicazioni sul sistema di riconoscimento visuale degli oggetti con AI. È molto più avanzato rispetto ai tradizionali strumenti di vision system. Tradizionalmente i sistemi di visione hanno sempre funzionato bene su oggetti con variazioni minime incontrando difficoltà nelle situazioni in cui l'elemento da riconoscere era molto variabile rispetto ad una figura di riferimento standard. Questi sistemi si basano, infatti, su regole codificate in modo rigido o su immagini ben definite senza difetti (immagini campione) che vengono confrontate con l'acquisizione dell'oggetto reale. Di conseguenza, diventa un compito difficilissimo gestire tutte le possibili eccezioni e allo stesso tempo prevedere molteplici immagini campione e garantire le performance di qualità e di velocità richieste dall'applicazione.
Gli algoritmi basati sull’apprendimento automatico superano questi limiti ad un costo più basso, aiutando ad esempio i sistemi che eseguono controlli di qualità visiva negli impianti di produzione o i sistemi robotici guidati da immagini, facendoli reagire in modo molto più flessibile alle situazioni impreviste ed ai difetti di produzione.La loro forza si evidenzia in compiti di ispezione di oggetti complessi e apparentemente simili, ma mai uguali, con la classificazione di più categorie di difetti, la verifica del corretto assemblaggio e localizzazione nello spazio libero dei componenti stessi.
S7-1500 TM NPU
Di conseguenza, l’AI permette di operare in modo molto più efficiente, poiché la conoscenza - ad esempio, relativa al colore, alla consistenza o alla qualità di un prodotto o processo - possono essere trasmesse all'automazione.
E se un robot potesse regolare automaticamente la sua presa in base alle dimensioni e alla forma dell'oggetto? Secondo Siemens, è del tutto possibile, e tutto si riduce all'intelligenza artificiale (AI) basata su reti neurali. È di Cuneo la prima azienda italiana e una delle pochissime al mondo ad aver applicato l’AI basata su reti neurali all’automazione di fabbrica.
La Success Story
EPF nasce nel 1961 operando nell’ambito dell’automazione industriale per i sistemi elettromeccanici, fino a diventare una moderna azienda le cui attività spaziano fino alla robotica e sviluppo software. Con sede a Carrù, nel cuore delle Langhe, EPF è profondamente radicata nel territorio ma le sue attività hanno respiro internazionale. Oggi comprende tre settori: automazione, energia e stampaggio plastico. Quest’ultimo ha trainato lo sviluppo dell’azienda. La società piemontese è, infatti, distributore ufficiale e service partner di Toshiba Machine, che ha recentemente cambiato il nome, ritornando a quello originario, in Shibaura Machine.
Nel corso degli anni, allo storico settore legato all’automazione industriale EPF AUTOMATION, si sono affiancati EPF ENERGY, per la realizzazione di impianti di produzione di energia rinnovabile ed EPF PLASTIC, che offre soluzioni chiavi in mano per lo stampaggio plastico ad iniezione, configurandosi come distributore ufficiale e service partner per Shibaura Machine, tra i principali produttori di tecnologia per l’industria, nello specifico macchine per lo stampaggio plastico full electric.
EPF integra da tempo tecnologie Siemens. “In questo periodo in cui le tecnologie di AI si stanno delineando come strumenti efficaci per l’inserimento sulle linee, venire a conoscenza che Siemens stava sviluppando una soluzione innovativa in tal senso ha fatto scattare il nostro interesse. Volevamo essere i primi ad utilizzare questa tecnologia sui nostri impianti” spiega Franco Filippi, CEO di EPF.
EPF nasce nel 1961 operando nell’ambito dell’automazione industriale per i sistemi elettromeccanici, fino a diventare una moderna azienda le cui attività spaziano fino alla robotica e sviluppo software. Con sede a Carrù, nel cuore delle Langhe, EPF è profondamente radicata nel territorio ma le sue attività hanno respiro internazionale. Oggi comprende tre settori: automazione, energia e stampaggio plastico. Quest’ultimo ha trainato lo sviluppo dell’azienda. La società piemontese è, infatti, distributore ufficiale e service partner di Toshiba Machine, che ha recentemente cambiato il nome, ritornando a quello originario, in Shibaura Machine.
Nel corso degli anni, allo storico settore legato all’automazione industriale EPF AUTOMATION, si sono affiancati EPF ENERGY, per la realizzazione di impianti di produzione di energia rinnovabile ed EPF PLASTIC, che offre soluzioni chiavi in mano per lo stampaggio plastico ad iniezione, configurandosi come distributore ufficiale e service partner per Shibaura Machine, tra i principali produttori di tecnologia per l’industria, nello specifico macchine per lo stampaggio plastico full electric.
EPF integra da tempo tecnologie Siemens. “In questo periodo in cui le tecnologie di AI si stanno delineando come strumenti efficaci per l’inserimento sulle linee, venire a conoscenza che Siemens stava sviluppando una soluzione innovativa in tal senso ha fatto scattare il nostro interesse. Volevamo essere i primi ad utilizzare questa tecnologia sui nostri impianti” spiega Franco Filippi, CEO di EPF.
EPF
Processo automatico di acquisizione dell’immagine di un componente automotive fatta con telecamera Ethernet standard
Machine Vision: l’opportunità dell’AI sul campo
Il mondo che ci circonda è già permeato da tecnologie di intelligenza artificiale, quello che manca è la loro industrializzazione e presenza sul campo. “La nostra mission aziendale” continua Filippi “è integrare l’Intelligenza Artificiale all’interno del nostro ecosistema. Siamo andati a cercare nuove soluzioni sul mercato perché volevamo approfondire le potenzialità nel settore della Machine Vision (visione artificiale)”.
“EPF ha una cultura specifica su queste tecnologie grazie al team di sviluppatori software, ma avevamo bisogno di un hardware industriale in grado di risolvere problematiche legate in particolare al controllo qualità sulla linea. Per controllo di qualità, mi riferisco ai controlli visivi che con tecniche tradizionali non è possibile eseguire. Pensiamo al riconoscimento di difetti, o all’ orientamento di componenti o ai sistemi di packaging di prodotti tutti diversi come può essere la frutta. La flessibilità è il vantaggio più importante che porta una soluzione tecnologica di AI”.
La sfida: automatizzare il controllo di qualità sulla linea
L’esigenza era quella di realizzare una macchina in grado di riconoscere in modo automatico componenti di prodotti o rilevare anomalie.La macchina di EPF esegue dei controlli di qualità a valle di una linea di assemblaggio e confezionamento per i componenti per il settore automotive, alla fine del processo produttivo. Durante il trasferimento dei componenti dalla cella di assemblaggio a quella di confezionamento (o packaging), esegue delle ispezioni visive automatiche degli stessi, assicurando il soddisfacimento delle specifiche prescritte dal produttore. Tra queste vi è la necessità di verificare la qualità del componente.
Gli algoritmi di visione integranti l’intelligenza artificiale rappresentano dunque tecnologia abilitante, vista l’estrema difficoltà di realizzare tali controlli con gli algoritmi di machine vision tradizionali. “L’utilizzo delle innovative soluzioni software di EPF e del modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU di edge computing di Siemens hanno permesso di soddisfare la necessità del nostro cliente, portando a bordo linea le più avanzate tecnologie e permettendo di ottenere prodotti di qualità ed affidabilità crescenti.”
Il mondo che ci circonda è già permeato da tecnologie di intelligenza artificiale, quello che manca è la loro industrializzazione e presenza sul campo. “La nostra mission aziendale” continua Filippi “è integrare l’Intelligenza Artificiale all’interno del nostro ecosistema. Siamo andati a cercare nuove soluzioni sul mercato perché volevamo approfondire le potenzialità nel settore della Machine Vision (visione artificiale)”.
“EPF ha una cultura specifica su queste tecnologie grazie al team di sviluppatori software, ma avevamo bisogno di un hardware industriale in grado di risolvere problematiche legate in particolare al controllo qualità sulla linea. Per controllo di qualità, mi riferisco ai controlli visivi che con tecniche tradizionali non è possibile eseguire. Pensiamo al riconoscimento di difetti, o all’ orientamento di componenti o ai sistemi di packaging di prodotti tutti diversi come può essere la frutta. La flessibilità è il vantaggio più importante che porta una soluzione tecnologica di AI”.
La sfida: automatizzare il controllo di qualità sulla linea
L’esigenza era quella di realizzare una macchina in grado di riconoscere in modo automatico componenti di prodotti o rilevare anomalie.La macchina di EPF esegue dei controlli di qualità a valle di una linea di assemblaggio e confezionamento per i componenti per il settore automotive, alla fine del processo produttivo. Durante il trasferimento dei componenti dalla cella di assemblaggio a quella di confezionamento (o packaging), esegue delle ispezioni visive automatiche degli stessi, assicurando il soddisfacimento delle specifiche prescritte dal produttore. Tra queste vi è la necessità di verificare la qualità del componente.
Gli algoritmi di visione integranti l’intelligenza artificiale rappresentano dunque tecnologia abilitante, vista l’estrema difficoltà di realizzare tali controlli con gli algoritmi di machine vision tradizionali. “L’utilizzo delle innovative soluzioni software di EPF e del modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU di edge computing di Siemens hanno permesso di soddisfare la necessità del nostro cliente, portando a bordo linea le più avanzate tecnologie e permettendo di ottenere prodotti di qualità ed affidabilità crescenti.”
I vantaggi
Il nuovo modulo S7-1500 TM NPU è dotato del processore Myriad™X Vision di Intel Movidius™ che consente l'elaborazione efficiente delle reti neurali. L’intelligenza artificiale garantisce al robot di riconoscere oggetti e relative classi di appartenenza non noti a priori grazie a un preventivo addestramento della rete neurale, che raccoglie e sfrutta tutta la relativa esperienza.“Il vantaggio per i nostri clienti è la disponibilità di macchine più robuste e adattabili, che rispondono ad esigenze di controllo di qualità. L’AI può rilevare difetti mai catalogati. Anche in termini di addestramento del modello, posso affermare che questa soluzione implica tempi di sviluppo inferiori rispetto alle soluzioni sviluppate con algoritmi tradizionali. L’addestramento è stato fatto con risorse interne formate allo scopo” conclude Filippi di EPF.
“Il progetto di computer vision realizzato con E.P.F. è strategico, abbiamo infatti avuto la possibilità di collaborare con un’azienda che oltre ad avere forti competenze di automazione è anche focalizzata sulle tecnologie emergenti tipiche del mondo IT come machine learning ed edge computing” spiega Davide Maffei Technical Sales Support Professional Edge & AI di Siemens.Il percorso di Siemens per l’intelligenza artificiale in ambito industriale è già tracciato: il modulo S7-1500 TM NPU è il primo prodotto, già disponibile al mercato, in grado di portare i benefici delle reti neurali a livello di campo.
“Ma la strategia di Siemens per rendere l’AI una tecnologia a servizio dell’industria è molto più ampia e ha l’obiettivo primario di rendere semplice, robusta ed affidabile l’integrazione della AI con l’automazione. Grazie al nostro nuovo Industrial Edge, infatti, è possibile già da ora sfruttare la flessibilità e scalabilità della piattaforma e implementare algoritmi sviluppati ad hoc. Ciò permette di migliorare processi delle macchine ed impianti, a partire dai campi della robotica, efficientamento energetico, manutenzione predittiva e anomaly detection“ conclude Davide Maffei di Siemens.
Il nuovo modulo S7-1500 TM NPU è dotato del processore Myriad™X Vision di Intel Movidius™ che consente l'elaborazione efficiente delle reti neurali. L’intelligenza artificiale garantisce al robot di riconoscere oggetti e relative classi di appartenenza non noti a priori grazie a un preventivo addestramento della rete neurale, che raccoglie e sfrutta tutta la relativa esperienza.“Il vantaggio per i nostri clienti è la disponibilità di macchine più robuste e adattabili, che rispondono ad esigenze di controllo di qualità. L’AI può rilevare difetti mai catalogati. Anche in termini di addestramento del modello, posso affermare che questa soluzione implica tempi di sviluppo inferiori rispetto alle soluzioni sviluppate con algoritmi tradizionali. L’addestramento è stato fatto con risorse interne formate allo scopo” conclude Filippi di EPF.
“Il progetto di computer vision realizzato con E.P.F. è strategico, abbiamo infatti avuto la possibilità di collaborare con un’azienda che oltre ad avere forti competenze di automazione è anche focalizzata sulle tecnologie emergenti tipiche del mondo IT come machine learning ed edge computing” spiega Davide Maffei Technical Sales Support Professional Edge & AI di Siemens.Il percorso di Siemens per l’intelligenza artificiale in ambito industriale è già tracciato: il modulo S7-1500 TM NPU è il primo prodotto, già disponibile al mercato, in grado di portare i benefici delle reti neurali a livello di campo.
“Ma la strategia di Siemens per rendere l’AI una tecnologia a servizio dell’industria è molto più ampia e ha l’obiettivo primario di rendere semplice, robusta ed affidabile l’integrazione della AI con l’automazione. Grazie al nostro nuovo Industrial Edge, infatti, è possibile già da ora sfruttare la flessibilità e scalabilità della piattaforma e implementare algoritmi sviluppati ad hoc. Ciò permette di migliorare processi delle macchine ed impianti, a partire dai campi della robotica, efficientamento energetico, manutenzione predittiva e anomaly detection“ conclude Davide Maffei di Siemens.
Prerogativa
di un qualsiasi sistema di analisi basati sul dato – modello data driven – è
una rete di comunicazione affidabile che è il cuore dello scambio dati in
ottica di accelerare i processi di digitalizzazione.
Anche in questa applicazione EPF ha scelto di basare il backbone dello scambio dei dati tramite fieldbus PROFINET con switch Siemens della famiglia Scalance X.
Era fondamentale, infatti, avere una rete di comunicazione che garantisse, sia l’affidabilità della trasmissione dei dati di automazione, che allo stesso tempo anche la disponibilità dello scambio dati per la rete neurale.
Un ulteriore vantaggio che ha spinto EPF ad adottare questa tecnologia di comunicazione era legato alla facilità di programmazione nell’ engineering framework di Siemens, permettendo così una riduzione delle ore di sviluppo.
Anche in questa applicazione EPF ha scelto di basare il backbone dello scambio dei dati tramite fieldbus PROFINET con switch Siemens della famiglia Scalance X.
Era fondamentale, infatti, avere una rete di comunicazione che garantisse, sia l’affidabilità della trasmissione dei dati di automazione, che allo stesso tempo anche la disponibilità dello scambio dati per la rete neurale.
Un ulteriore vantaggio che ha spinto EPF ad adottare questa tecnologia di comunicazione era legato alla facilità di programmazione nell’ engineering framework di Siemens, permettendo così una riduzione delle ore di sviluppo.
Background Info NPU
Maggiore flessibilità
Grazie agli algoritmi AI e di apprendimento automatico, il modulo NPU SIMATIC S7-1500 TM NPU semplifica anche la gestione di oggetti sconosciuti, senza una programmazione ad alta intensità di risorse.
Qualità migliore
Le conoscenze specialistiche per controlli di qualità rapidi e affidabili vengono trasferite direttamente al modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU grazie all’addestramento di a una rete neurale.
Maggiore efficienza
Con il modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU, le macchine possono rispondere in modo flessibile e automatico alle situazioni che richiedevano un intervento manuale, riducendo i tempi di fermo e aumentando la disponibilità.
Maggiore economicità
Il modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU consente di rilevare tempestivamente problemi di produzione ed evitare il costo di dover rilavorare o addirittura scartare il prodotto.
Grazie agli algoritmi AI e di apprendimento automatico, il modulo NPU SIMATIC S7-1500 TM NPU semplifica anche la gestione di oggetti sconosciuti, senza una programmazione ad alta intensità di risorse.
Qualità migliore
Le conoscenze specialistiche per controlli di qualità rapidi e affidabili vengono trasferite direttamente al modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU grazie all’addestramento di a una rete neurale.
Maggiore efficienza
Con il modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU, le macchine possono rispondere in modo flessibile e automatico alle situazioni che richiedevano un intervento manuale, riducendo i tempi di fermo e aumentando la disponibilità.
Maggiore economicità
Il modulo SIMATIC S7-1500 TM NPU consente di rilevare tempestivamente problemi di produzione ed evitare il costo di dover rilavorare o addirittura scartare il prodotto.
Primo piano sul quadro elettrico con il PLC S7-1500 e il Modulo S7-TM NPU
Contatti
Angela Gherardelli
Siemens in Italia
Via Vipiteno 4
20128 Milano
Italia
20128 Milano
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+39 022431