Progetto IAPC

INGEGNERIZZAZIONE E AUTOMAZIONE DEL PROCESSO DI PRODUZIONE TRADIZIONALE DEL PANE CARASAU MEDIANTE L’UTILIZZO DI
TECNOLOGIE IOT (IAPC)

Finanziato nell’ambito della risposta dell’Unione alla pandemia di COVID-19.
Il progetto IAPC ha avuto come obiettivo l’analisi e l’ottimizzazione del processo produttivo artigianale del pane carasau, per il raggiungimento del quale si sono svolte una serie di attività tese a:

• mappare le criticità del processo e del sistema industriale, individuare quelle a più alta priorità di intervento e proporre soluzioni correttive efficaci;
• introdurre procedure per l’aumento della efficienza del processo mirate all’aumento della produttività delle aziende artigiane che producono carasau, con una sensibile riduzione dei costi.
  Il processo produttivo delle aziende che producono carasau in maniera artigianale è per lo più un processo già parzialmente automatizzato, ma presenta diverse criticità in tutta la filiera di produzione a partire dalla sala impasti fino al confezionamento e stoccaggio del prodotto finito. La maggior parte dei problemi risiede nel fatto che i parametri di processo sono stabiliti con criteri empirici non ottimizzati che in taluni casi comportano elevate quantità di sfrido (perdite di elevate quantità di impasto) nonché rallentamenti nella produzione (sottoutilizzo della capacità produttiva dell’impianto).
  IAPC ha puntato quindi ad automatizzare il processo di produzione di carasau in maniera artigianale proponendo un processo integrato di produzione che unisce tra loro elementi di “Industria 4.0”, conoscenze e competenze accademiche sullo stato dell’arte e realtà aziendale produttiva. In particolare, l’obbiettivo iniziale è stato quello di realizzare un sistema a ciclo chiuso di tutto il processo produttivo del pane carasau, a partire dagli ingredienti, sino ad arrivare alla fase di confezionamento del prodotto alla sua gestione in magazzino. Nello specifico, il progetto è stato basato su una ottimizzazione del processo, integrando nuove tecniche di gestione e moderni strumenti tecnologici ICT, con particolare riguardo ai sistemi di identificazione ottici e a radio frequenza (che sfruttano il paradigma IOT) delle caratteristiche delle materie prime, dei semilavorati e del prodotto finale.
  Il progetto è stato strutturato in 4 aree principali.

1) Analisi delle criticità tecnologiche e di processo nella produzione artigianale del carasau, condotta dai gruppi del DIEE di UNICA e dell’azienda Studio-A, comprende:

• un’analisi delle fasi del processo, mirata all’identificazione delle fasi più critiche e alla loro mappatura in termini di monitoraggio, a seguito dell’applicazione di metodologie di analisi dei rischi (es. Analisi FMEA: Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, analisi FTA: Fault Tree Analysis), per un miglioramento delle procedure che vanno dagli ingredienti base fino al confezionamento del prodotto finito.
• un’analisi delle fasi del processo, mirata all’identificazione delle criticità tecnologiche e alla loro mappatura, attualmente in essere nelle aziende artigianali che producono carasau.
• un’analisi delle materie prime e del loro utilizzo in sala impasti per definire delle caratteristiche standard dell’impasto da lavorare, funzionali alla gestione ottimale di tutte le fasi che seguono.

2) L’ingegnerizzazione tecnologica e ottimizzazione di processo, condotta dai gruppi di UNICA e dell’azienda Studio-A, comprende:

• la progettazione di un’architettura hardware mediante l’uso di single board computer (SBC) e sensoristica dedicata abilitante per il monitoring degli intermedi di processo. In questa attività saranno definite le infrastrutture necessarie per l’implementazione dell’intero sistema. In particolare, da EMA ed EMClab:
  • sono stati valutati i sensori ottici e a radiofrequenza presenti in commercio;
  • è stata effettuata una caratterizzazione elettromagnetica dell’ambiente in cui successivamente è stato montato il sistema di monitoring, anche attraverso una modellazione delle sorgenti di rumore elettromagnetico presenti, dopodiché la tecnologia scelta per l’architettura è stata testata in camera semianecoica per valutare gli aspetti di compatibilità elettromagnetica;
  • sono stati progettati un sensore e l’algoritmo automatizzato per la stima dell’umidità dell’impasto da inserire nella filiera di processo della sala impasti.
  • si è valutata la possibilità di integrare dei sensori RF con la sensoristica attualmente utilizzata nell’impianto al fine di individuare possibili parametri monitorabili con tale tecnologia, con lo scopo di evidenziare eventuali criticità che dovessero manifestarsi in una delle fasi del processo.
  • si è realizzato un modello matematico del processo di cottura da utilizzarsi per l’implementazione del controllo automatico del forno.
• Il gruppo di affidabilità del DIEE ha effettuato analisi di tipo affidabilistico sulla nuova tecnologia adottata, utili per perfezionare la soluzione prima di implementare la tecnologia RF all’interno del processo;
• Il gruppo PRA Lab si è occupato:
  • dell’elaborazione e dell’analisi delle immagini provenienti dal sensore ottico, con lo scopo di estrarre informazioni utili all’interno del processo.
  • della progettazione dell’architettura di un software con funzionalità evolute, integrato col sistema di sensoristica dedicata, basato su tecnologie Open Source che eroga i servizi per la gestione dei processi del sistema di monitoring della filiera di produzione artigianale del pane carasau.
• La Studio-A si è occupata della progettazione e conseguente messa in opera di nuove tecnologie di automazione e controllo di processo (quali macchine industriali di nuova concezione dedicate alla filiera di produzione o upgrade di macchine esistenti) al fine di migliorare l’efficienza e la rispondenza delle attuali tecnologie disponibili in impianto ai requisiti minimi di implementazione di un eventuale controllo distribuito (es. sistema DCS). le fasi sopra elencate nascono dall’analisi descritta nella prima area principale, da inserire nella filiera di produzione per ottimizzare il processo artigianale di produzione del carasau. Il fine è quello di trasformare il processo di produzione del carasau (almeno nelle sue fasi più critiche ed impattanti in termini produttivi) da un processo a ciclo aperto con forte impatto manuale/operativo ad un processo a ciclo chiuso altamente automatizzato.
• Il gruppo di Automatica si è occupato dello studio di algoritmi di stima e controllo di tipo data-driven per supportare la chiusura del ciclo di controllo sull’impianto esistente in presenza di grandi incertezze parametriche e di modello. Tramite simulazioni numeriche è stato possibile validare gli algoritmi ed informare il processo di reingegnerizzazione dell’impianto.

3) Prototipazione
Lo Studio-A si è occupata:

• della prototipazione e sviluppo delle reti di automazione basate sulle tecnologie più innovative disponibili attualmente sul mercato. Si procederà alla messa in opera di sistemi quali PLC, sistemi SCADA PC based e/o sistemi di controllo basati sul principio distribuito DCS. Si valuteranno anche tutte le modifiche tecnologiche necessarie al fine di trasformare il processo di produzione del carasau da un processo a ciclo aperto ad un processo a ciclo chiuso automatizzandolo il più possibile. Nella categoria delle modifiche tecnologiche necessarie rientrano:
  1. Prototipazioni di macchinari legati alle fasi di produzione ad anello aperto;
  2. Sviluppo di software o strategie di controllo innovative da implementare su sistemi di controllo SCADA PC based;
  3. Implementazione di sala controllo centralizzata PC SCADA o DCS based asservita al monitoraggio continuo del ciclo produttivo;
• della prototipazione dell’architettura hardware progettata dal DIEE che fa uso di single board computer (SBC) e sensoristica dedicata abilitante, per il monitoring degli intermedi di processo.
• dell’implementazione del software basato su tecnologie Open Source, progettato dal DIEE che avrà funzionalità evolute, integrate col sistema di sensoristica dedicata, che erogherà i servizi per la gestione dei processi del sistema di monitoring di produzione del pane carasau. Tale software renderà fruibili le informazioni acquisite dalla rete di sensori e applicherà delle correzioni sul processo qualora ci siano delle anomalie sul processo di produzione vada in cottura evitando così degli sprechi.

4) La MFM ha effettuato il test sperimentale delle tecnologie di monitoraggio e automazione del processo produttivo sui propri impianti, consistente anche nella validazione del modello matematico del processo e nella verifica della sua affidabilità, nella verifica del funzionamento sul campo dei prototipi delle macchine e dei dispositivi messi a punto, nonché dei sistemi di controllo sviluppati, al fine di ottenere un prodotto con caratteristiche standardizzate ottimali e di gestire il processo in maniera efficiente tramite l’ottimizzazione dei parametri di configurazione delle macchine e delle fasi lavorative.
Il progetto ha avuto quindi come Obiettivo Finale l’analisi e l’ottimizzazione del processo produttivo artigianale del pane carasau diventando a tutti gli effetti un case study applicativo per una scalabilità ad una gamma molto più ampia di prodotti da forno.
Il sistema a ciclo chiuso rappresenta infatti una soluzione alle problematiche principali delle produzioni di pane carasau: la maggior parte delle criticità risiede nel fatto che i parametri di processo sono stabiliti con criteri empirici non ottimizzati che in taluni casi comportano elevate quantità di sfrido (perdite di elevate quantità di impasto) nonché’ rallentamenti nella produzione (sottoutilizzo della capacità produttiva dell’impianto).
La soluzione individuata per l’ottimizzazione del processo ha quindi perseguito le seguenti prestazioni:

• Decremento nello spreco di impasto;
• Risparmio nei tempi di produzione;

Tali prestazioni puntano ad incidere sulla competitività dell’offerta, migliorando il rapporto tra costi e qualità in ragione di un processo che riduce gli sprechi di materiale e di tempi e che consente una gestione più efficace delle materie impiegate in una prospettiva di qualità degli output.
Il progetto ha mirato ad uno scopo inedito dal punto di vista del supporto tecnologico ai processi produttivi, soprattutto per un settore di PMI, considerato di nicchia rispetto all’agroalimentare nazionale, ma con grandi potenzialità per le caratteristiche del prodotto:

• Potenzialità elevate di esportazione.
• Facile trasporto,
• Leggerezza,
• Riconoscibilità,
• Bontà
• Potenzialità elevate di esportazione.