La tecnologia per un futuro neutrale dal punto di vista energetico esiste. Si tratta solo di produrla su larga scala.

La sfida

Per produrre le sue innovative pellicole su larga scala, Heliatek ha sviluppato un ambiente di produzione su rotoli unico utilizzando dei macchinari all'avanguardia appositamente progettati. Non avendo trovato un software commerciale standard adatto al compito, gli ingegneri dell'azienda hanno dovuto creare un sistema di monitoraggio dei processi personalizzato per rilevare le deviazioni e potenziali difetti.

Soluzione

Heliatek era alla ricerca di un software statistico multiuso e ha scelto di utilizzare JMP poiché offriva sia strumenti visivi facili da usare per esplorare rapidamente i dati, sia piattaforme statistiche sofisticate per analisi avanzate. Heliatek ritiene che il Costruttore di grafici di JMP sia una funzionalità cruciale per esplorare i dati e approfondire così la conoscenza dei processi man mano che la produzione aumenta.

I risultati

Una dashboard con script personalizzati sviluppata in JMP utilizza un sistema di avvisi automatici per consentire agli operatori di Heliatek di intervenire più rapidamente quando i processi non rispettano le specifiche. Gli esperti di integrazione dei processi stimano che solo la dashboard degli avvisi abbia migliorato la resa del 5 % nella produzione pilota.

Il cambiamento climatico è forse la sfida più urgente che il mondo si trova ad affrontare oggi. Di primaria importanza nei piani d'azione delineati dalle Nazioni Unite è l'impegno a porre fine alla dipendenza mondiale dai combustibili fossili e a passare a soluzioni energetiche sostenibili. Gli scienziati di tutto il mondo sono concordi nel dire da tempo che gli sforzi per mitigare i livelli oramai allarmanti di anidride carbonica nell'atmosfera avranno successo solo se saranno associati a un adattamento globale: governi, organizzazioni e privati cittadini di tutto il mondo devono passare alle fonti di energia rinnovabili. Per fortuna le innovazioni emergenti semplificano questo adattamento.

L'azienda tedesca Heliatek ha sviluppato un'innovativa pellicola fotovoltaica organica che trasforma in realtà l'obiettivo di un'elettricità verde al 100 %, trovando risposta alla richiesta di un'installazione solare ottimizzata per diversi tipi di architetture (ad es. verticali). Fondata nel 2006 come società spin off dell'Università tecnica di Dresda e dell'Università di Ulm, Heliatek ha ricevuto il prestigioso German Future Prize nel 2011 ed è stata riconosciuta come pioniera nel settore tecnologico dal Forum Economico Mondiale nel 2015.

L'innovazione chiave di Heliatek, HeliaSol, è una pellicola solare non tossica, ultraleggera e ultra-flessibile, adatta a coprire superfici curve e irregolari. "Ciò che differenzia [HeliaSol] dal fotovoltaico tradizionale è che può coprire segmenti di mercato non coperti dal fotovoltaico tradizionale, soprattutto a causa dei carichi degli edifici", spiega Torsten Weber, ingegnere specializzato nell'integrazione dei processi. Con uno spessore inferiore a 1 mm, HeliaSol consente agli architetti di utilizzare l'intera superficie di una struttura per le attività di generazione di energia solare. Questa innovazione progettuale rende la neutralità energetica più raggiungibile nell'ambiente urbano.

Dalla produzione pilota a quella su larga scala

Weber, che si è unita a Heliatek nel 2017, fa parte di un team che si occupa dell'ottimizzazione della resa dell'impianto di produzione pilota e in serie dell'azienda. Nel 2020 la società ha raggiunto il primo traguardo produttivo su scala industriale go-to-market e Weber afferma che l'ingresso della tecnologia nel loro ambiente di produzione su rotoli personalizzato ha comportato delle sfide uniche.

“Il nostro prodotto è davvero nuovo e innovativo”, spiega Weber. “Di conseguenza, anche i nostri macchinari sono unici e impegnativi da costruire. I nostri input e flussi di dati sono fortemente personalizzati”. Non sono quindi attrezzature standard, per cui si possiede già una certa conoscenza delle procedure e una serie di aspettative sul controllo dei processi statistici (SPC), per cui Weber e i suoi colleghi devono acquisire queste competenze a partire da zero, tramite il monitoraggio della produzione in più processi e dei parametri dei macchinari da diverse fonti all'interno dello stabilimento.

La definizione di SPC per un ambiente di produzione personalizzato inizia con un'indagine metrologica di tutte le misure effettuate dalle apparecchiature, spiega Weber. Le idee iniziali sui limiti di allarme della fabbrica dovevano essere verificate con una combinazione di prove di base ed esperimenti. I dati in uscita sono stati quindi regolati per generare i dati necessari a garantire un buon SPC, scartando al contempo i dati inutilizzabili che avrebbero solo sprecato risorse di archiviazione.

Weber afferma che una strategia di dati efficace non si basa solo su una raccolta delle informazioni ottimale, ma anche su una registrazione accurata delle deviazioni. Imparare dagli errori è una tappa fondamentale del miglioramento dei processi e ogni singolo evento anomalo è utile al team per saperne di più sui limiti dei processi stessi. Tuttavia, l'esecuzione dei processi al di fuori delle specifiche può causare un rallentamento nella procedura di commercializzazione e implicare costi per gli scarti dovuti alla necessità di individuare e correggere le deviazioni. Per migliorare i tempi di risposta, era quindi necessaria una soluzione più adeguata.

Ecco perché Weber ha creato una dashboard degli avvisi personalizzata in JMP®.

Uno strumento di avviso costruito su misura aiuta gli operatori a far fronte velocemente ai processi anomali

Ispirandosi a un tradizionale circuito di allarme, Weber ha utilizzato il linguaggio di scripting di JMP (JSL) per costruire una dashboard personalizzata per Heliatek che avvisa rapidamente gli operatori quando i tassi di deposito del processo superano le specifiche nel periodo di tempo impostato. “È simile a un sistema di allarme, ma non ha tutti quei pulsantini rossi e verdi”, spiega. “E ha il vantaggio di applicare velocemente i metodi statistici offerti da JMP”.

Weber spiega che la dashboard è stata intenzionalmente sviluppata tenendo a mente la visualizzazione, perché una progettazione grafica di qualità permette agli operatori di capire in un attimo quali sono i processi anomali. La dashboard mostra più parametri di processo contemporaneamente, ognuno dei quali ha un codice colore, come se fosse un semaforo, per indicare il grado di funzionamento. L'aggiornamento dei dati a ciclo continuo consente di diagnosticare o accorgersi in anticipo dei problemi in qualsiasi momento con una rapida occhiata.

Tuttavia, poiché gli operatori sono indaffarati e non possono guardare sempre la dashboard, una delle funzionalità chiave del sistema è la capacità di generare avvisi automatici via e-mail. Quando un parametro diventa rosso, ossia quando un limite viene superato, il sistema invia automaticamente un'e-mail a un elenco di persone che comprende operatori, supervisori e ingegneri. Inoltre, un'alternativa analoga alla funzione “Posta” di JSL esegue il trasferimento della posta tramite un server SMTP interno.

Con semplici script in JMP, Weber può facilmente regolare le impostazioni del dashboard per creare regole ed eccezioni al sistema di allerta. L'interfaccia grafica del software JMP e la funzionalità integrata di visualizzazione dei dati sono fondamentali non solo per il dashboard stesso, ma anche per la capacità del team di integrazione dei processi di esplorare e imparare dagli eventi fuori specifica. Inoltre, i grafici possono essere condivisi anche con utenti che non utilizzano JMP attraverso uno script HTML personalizzato, che aiuta anche a superare i problemi di caricamento e gli add-in a ricarica automatica.

Miglioramento della resa dell'1-5 % nella produzione pilota

Dal momento in cui è stata lanciata, la dashboard degli avvisi di Weber ha ridotto drasticamente i tempi di reazione degli operatori ai processi anomali. Come affermato da Weber, quanto prima gli operatori ricevono un avviso, tanto più velocemente possono riunirsi per trovare una soluzione. In questo modo si crea un effetto domino di miglioramento della resa e riduzione degli scarti.

“La dashboard degli avvisi ha migliorato la resa dell'1-5 % nella nostra produzione pilota”, dice. “Dipende dall'incarico, ma, sulla base di una serie di esperimenti e prove, penso che un miglioramento che va dall'1 al 5 % sia notevole”.

Weber attribuisce gran parte di questo successo alla visualizzazione intuitiva: “La nostra dashboard degli avvisi consente di individuare rapidamente il parametro anomalo. È molto semplice anche quando i parametri sono più di uno. Non mi riferisco solo alla dashboard, ma anche al Costruttore di grafici”.

“Utilizziamo il Costruttore di grafici sia per la dashboard degli avvisi, sia per altri dati che vogliamo analizzare per ottenere una panoramica rapida tramite correlazioni o distribuzioni”, che Weber definisce “panoramica spicciola”. L'elaborazione e l'analisi esplorativa dei dati contribuiscono a far capire meglio il processo e l'interazione con i diversi parametri.

JMP® è un punto di riferimento sia per la visualizzazione dei dati sia per l'analisi avanzata

La visualizzazione interattiva e di facile utilizzo è stata uno dei motivi principali per cui Weber ha deciso di utilizzare JMP. “Volevamo un software analitico che potesse essere usato dalla maggior parte dei dipendenti [di Heliatek]”, dice Weber.

Alcuni pacchetti offrono funzionalità grafiche, mentre i linguaggi di programmazione open source consentono di creare delle dashboard personalizzate. JMP, invece, fa entrambe le cose. Nonostante il team di Weber non abbia ancora avuto la necessità di usare il disegno di esperimenti (DOE) , Weber conta di iniziare a sfruttare questa funzionalità a breve.

"JMP è un software davvero attraente e facile da usare, che offre anche funzioni interessanti come il DOE e tutte le altre analisi statistiche di cui potrei avere bisogno", spiega. "Avere questo strumento - e anche essere in grado di codificare con questo strumento - è fantastico. Con JMP si dispone di un software che consente di analizzare i dati e di creare applicazioni personalizzate con gli script. Con JSL si possono imparare rapidamente molte cose".

Aprire la strada alle applicazioni di deep learning

Considerata la crescente automatizzazione dei flussi di dati e dei sistemi di produzione, Weber prevede che le dashboard e le visualizzazioni di dati a ciclo continuo assumeranno un ruolo via via più importante. Tra qualche tempo, saranno sempre di più i processi di dati di Heliatek automatizzati, del tutto o in parte, e un sistema digitalizzato potrebbe usare degli algoritmi per riconoscere e rispondere agli avvisi di eventi anomali.

"Sarà una storia infinita di ottimizzazione", afferma Weber. E questo è un bene: i continui cicli di innovazione di aziende pionieristiche come Heliatek sono ciò che contribuisce a risolvere la crisi climatica. Con l'aumento della produzione di pellicole solari organiche, un numero sempre maggiore di edifici potrà diventare completamente neutrale dal punto di vista energetico.