VIRTUAL COMMISSIONING DI MAGAZZINI AUTOMATICI - Alcuni Case History realizzati

 

Un sentito grazie a Dietmar Lenk - Responsabile dei progetti intralogistici ad alto tasso di automazione | Ferrero Engineering Facilities & Utilities per il prezioso contributo

 

Introduzione

La realizzazione di magazzini automatici (MA) è un compito complesso e impegnativo.

Spesso questi progetti hanno un tempo di realizzazione più lungo del previsto e/o finiscono fuori budget, ad esempio a causa della complessità infrastrutturale logistica e degli impatti/fastidi provenienti da altre aree (ad es. Impianto Sprinkler, Climatizzazione).

Inoltre, esiste il rischio potenziale che quando il MA è pronto per il “Go-Live” (l’avvio in produzione), il software realizzato (SW), cioè l’Automation-System, il Material-Flow-System e il Warehouse-Management-System, non siano adatti alle esigenze e alle aspettative del cliente e dell'azienda.

In un approccio utilizzato in passato, cioè nell'approccio tradizionale, i flussi principali delle attività progettuali venivano trattati principalmente in ordine seriale.

Con gli ultimi sviluppi del mercato e gli strumenti disponibili, ormai non più dei prototipi, è possibile utilizzare un approccio virtuale, che viene spesso chiamato "Digital-Twin" (“Gemello Digitale”), con l'obiettivo di evitare problemi al progetto che siano legati a tempistiche e/o budget.

I capitoli seguenti descrivono i diversi standard e approcci e le esperienze con progetti realizzati.

La parte di impianti e utilities di un MA non viene presa in considerazione. 

Approcci e standard

Realizzazione di impianti logistici - approccio tradizionale -

Con l'approccio tradizionale i flussi di progetto principali, come lo Sviluppo e il Test del SW, con i loro sotto-flussi, sono gestiti principalmente in un ordine seriale.

Questa serializzazione genera molte dipendenze tra i sotto-flussi di progetto.
Il risultato, cioè il corretto funzionamento del MA, è visibile praticamente solo al completamento dei flussi progettuali, negli immediati pressi cioè del momento del “Go-Live”.
L'esperienza con i progetti realizzati dimostra infatti che nelle ultime settimane precedenti il “Go-Live” c'è molto "stress" sul cantiere, dovuto al fatto che tutti devono finalizzare il proprio lavoro.
Un esempio di quanto sopra indicato è che gli sviluppatori del SW per l'automazione e l’MFS/WMS effettueranno le loro attività di test, proprio mentre saranno in corso lavori di costruzione come l’installazione impianto sprinkler, il che sarà complesso.

Realizzazione di impianti logistici - approccio virtuale -

Con il nuovo approccio, il cosiddetto approccio virtuale (Virtual Commissioning), tutti i flussi di progetto che sono necessari per un progetto di Magazzino Automatico, come

- lavori per impianti e utenze
- costruzione meccanica
- sviluppo automazione
- sviluppo IT
- ecc.

sono più indipendenti l'uno dall'altro.
Il risultato è che con questo nuovo approccio possiamo ottenere elevata flessibilità e controllo, e i flussi impattanti saranno indipendenti.

 

Standardizzazione del modello virtuale

Nell'ambito del Virtual Commissioning e dei modelli virtuali dobbiamo comprendere, che ad oggi non esiste un approccio unico e che la standardizzazione è ancora nella fase iniziale.
Si può avere un'idea di scenari diversi dal grafico seguente:

Scenario "Sistema Reale"

In questo scenario tutti i sistemi, inclusi il modello fisico, il software e l'hardware del magazzino devono essere testati in ambiente reale.

• Questo scenario non consente la messa in servizio virtuale.

Tutti i test devono essere eseguiti con le attrezzature reali dei sistemi di Magazzino e SW.

Scenario "Test PLC"

In questo scenario la tecnologia di “campo” (motori, attuatori, sensori) viene sostituita da un modello virtuale.

• Questo scenario consente di testare ed eseguire una messa in servizio virtuale per
  • PLC
  • MFS
  • WMS

Scenario "Test MFS"

In questo scenario la tecnologia e il PLC vengono sostituiti da un modello virtuale.

• Questo scenario consente di testare ed eseguire una messa in servizio virtuale per
  • MFS
  • WMS

Scenario "Test WMS"

In questo scenario la tecnologia, il PLC e l'MFS vengono sostituiti da un modello virtuale.

• Questo scenario consente di testare ed eseguire una messa in servizio virtuale per
  • WMS

Scenario "Simulazione"

Nell'ultimo scenario, ottenuto per mezzo della più classica "Simulazione Dinamica", tutti i sistemi sono sostituiti da un modello virtuale.
Questo scenario viene usato nella fase di progettazione di un MA ed è utilizzato principalmente per controllare il layout logistico in termini di prestazioni. Con questo scenario non è possibile eseguire alcuna messa in servizio virtuale. Tuttavia, in alcuni casi, è possibile che il lavoro svolto in fase di modellizzazione per la simulazione dinamica possa essere ampiamente riutilizzato per il “Virtual Commissioning”.

Vantaggi e svantaggi dei diversi scenari

La figura utilizzata nel capitolo 2.3 mostra che il modello virtuale si evolve/avanza a partire da Test PLC -->Test MFS --> Test WMS.
Ma questo non significa che lo sforzo sia maggiore. Per questo motivo, lo sforzo è direttamente correlato alla complessità che sta alla base dell'interfaccia del mondo reale.
Il risultato è che l’implementazione dell’Emulazione è più semplice (meno costi, meno tempo) per uno scenario “Test WMS” con circa 50 punti di connessione, che per uno scenario “Test PLC” con migliaia di punti di connessione.
D'altra parte, il maggiore sforzo per lo scenario "Test PLC", con un modello virtuale più piccolo, genererà test con tutti i relativi sistemi reali.
A conti fatti, questo maggiore sforzo genererà una maggiore qualità dei sistemi SW coinvolti, perché non viene testata solo l'interfaccia con il modello virtuale, ma anche tutte le interfacce tra i sistemi superiori, e con i sistemi reali.
Inoltre, tutti gli scenari sono utilizzabili per seguire attività aggiuntive, come la formazione degli utilizzatori / manutentori, la più fluida esecuzione dei test di accettazione finali (es. test prestazionali), l’ottimizzazione dell'impianto logistico dopo il “Go-Live”, test di aggiornamento software, ecc.
Anche qui, più sistemi reali sono in atto meglio è, ma lo sforzo iniziale e di manutenzione del Digital-Twin (Gemello Digitale) sarà maggiore.

Esperienza con progetti reali

Negli ultimi 10 anni, nella nostra azienda abbiamo realizzato diversi Magazzini Automatici per pallet sia completamente nuovi (scenario green-field), che come ampliamento / modifica di magazzini esistenti (scenario brown-field) utilizzando l'approccio tradizionale.
La dimensione dei Magazzini Automatici era compresa tra 8.000 e 35.000 posti pallet e il nostro standard per l'automazione, l’MFS e il WMS erano i marchi Siemens e SAP.

Nella nostra "Tempistica Standard", per un progetto di Magazzino si considerano i flussi seguenti

- Sviluppo Software - installazione, test e messa in servizio di apparecchiature logistiche 6 mesi
- Automazione, test di integrazione MFS e WMS 3 mesi
- Ramp up (incremento del livello di utilizzo) 2 mesi

Come evidenziato nei capitoli precedenti, gli svantaggi risiedono principalmente nel fatto che un flusso influenza l'altro, e comunque fattori diversi influenzano la tempistica del progetto.
Soprattutto in presenza del “Go-Live” abbiamo sperimentato molto stress, a causa del numero di attività e di test che devono essere finalizzati.
Spesso alcune attività sono state eseguite dopo il “Go-Live”, con il problema di trovare la finestra temporale giusta per realizzarle.

Implementazione di un Magazzino con messa in servizio virtuale dell’automazione

Nel 2019 abbiamo iniziato la progettazione di un nuovo Magazzino automatico per pallet, per essere più precisi un'estensione di un Magazzino esistente di 8.000 posti pallet, con collegamento al Magazzino già presente a mezzo convogliamento rulli / catene e con un sistema monorotaia.
Nella fase di gara abbiamo chiesto ai diversi offerenti se fossero in grado di effettuare una messa in servizio virtuale.
Il risultato del feedback è stato che nessun offerente lo aveva mai fatto prima per altri Magazzini automatici per pallet, ma abbiamo comunque concordato con il General Contractor infine prescelto di fare un primo progetto comune che prevedesse un approccio alla messa in servizio virtuale (“Virtual Commissioning”).

Da parte nostra l’idea era quella che il cliente dovesse risparmiare 2 mesi su 6 per lo sviluppo del SW relativo a installazione, test e messa in servizio delle apparecchiature logistiche.
L'ottimizzazione nell'area dell’MFS e del WMS non è stata presa in considerazione, perché i sistemi di questo specifico progetto erano pre-esistenti e non si basavano sul nostro standard per Magazzini nuovi.

Il “Go-Live” di questo Magazzino è avvenuto nel mese di aprile 2021 e in quel periodo e in seguito abbiamo valutato con le parti interessate, General Contractor, Supply chain, IT, ecc. se erano stati raggiunti i risultati attesi grazie al “Virtual Commissioning”.

Abbiamo confrontato la durata delle varie attività di progetto citati per questo nuovo primo progetto con il Virtual Commissioning, con quelle relative all'ultimo progetto italiano di Magazzino che abbiamo realizzato tra il 2017 e il 2019. Le dimensioni e la complessità del Magazzino precedente sono molto simili a quelle del nuovo Magazzino.

Ne è risultato che il tempo necessario per il nuovo Magazzino realizzato facendo ricorso al Virtual Commissioning (più precisamente, con un processo che ha incluso “sviluppo del SW - installazione, test e messa in servizio delle apparecchiature logistiche”), è stato di 6 settimane più breve rispetto a quello necessario per l’ultimo Magazzino italiano realizzato con l’approccio tradizionale.
Questo risparmio di tempo è stato raggiunto con un team più piccolo in loco, il che significa che il risparmio reale in termini di tempo è stato più o meno come previsto.

Lo sforzo, dal punto di vista dei costi, per la realizzazione volta al risparmio di tempo è stato all'incirca lo stesso rispetto all'approccio tradizionale.
Il motivo principale è che lo sforzo per eseguire la messa in servizio in un ambiente virtuale è lo stesso, è stato solo anticipato.

D'altra parte, abbiamo ottenuto altri vantaggi, come

• La tensione e lo stress al momento del “Go-Live” sono stati ridotti al minimo.
• La qualità del software di automazione era elevata, si è verificato solo qualche problema minore al SW, che è stato risolto in cantiere.
• La qualità ed affidabilità dell’intero Magazzino è risultata superiore rispetto ad altri progetti di Magazzino (il test di disponibilità dopo 3 settimane mostra il 98% della disponibilità, che era stato definito come l'obiettivo dopo 6 mesi.
• La pandemia da Covid-19, che ha fermato il cantiere per alcuni mesi, non ha avuto alcun impatto sulla messa in servizio virtuale.
• Il FAT (Test di Collaudo in Fabbrica) per il Software di automazione è stato effettuato con l'ambiente virtuale.

Implementazione di un Magazzino con messa in servizio virtuale di automazione, MFS e WMS

Nel nostro ultimo progetto di Magazzino automatico, che è ora in fase di costruzione, abbiamo allargato il Virtual Commissioning anche ai sistemi MFS e WMS, in aggiunta a quanto necessario per il Test del PLC.

Gli obiettivi sono:

• raggiungere gli stessi vantaggi sopra descritti.

E in più

• la riduzione dei test di integrazione per automazione, MFS e WMS con impianto reale, da 3 mesi a 1 mese
• la riduzione della fase di ramp-up (incremento del livello di utilizzo) da 2 mesi a 1 mese
• l’avvio della formazione degli utilizzatori (supply chain e manutenzione) utilizzando l'ambiente virtuale, per l'automazione (PLC, SCADA, HMI), l’MFS e il WMS in fase iniziale
• i test di diversi scenari di ottimizzazione per MFS e WMS. 

Conclusione

Il nuovo approccio, cioè la messa in servizio virtuale (Virtual Commissioning), presenta molti vantaggi reali e dovrebbe far parte di tutti i progetti futuri di Magazzini automatizzati.
I vantaggi principali sono il risparmio di tempo, la riduzione della tensione e dello stress al momento del “Go-Live” e la migliore qualità del progetto e del Magazzino finale.

L'approccio alla messa in servizio virtuale deve essere preso in considerazione fin dall'inizio per ottenere i vantaggi attesi sul progetto.
È assolutamente necessaria una solida gestione del progetto, che copra anche la parte della messa in servizio virtuale. È importante che il Digital-Twin (Gemello Digitale) nasca all'inizio del progetto.

Utilizzare il Digital Twin (Gemello Digitale) dopo il “Go-Live” per l'ottimizzazione, i processi di test e gli aggiornamenti del software può essere interessante ma richiede anche impegno e dedizione.

Elenco delle abbreviazioni

D-Twin - Gemello Digitale
MFS - Sistema di Flusso del Materiale
PLC - Controllore Logico Programmabile
SW - Software
WH - Magazzino
WMS - Sistema di Gestione del Magazzino