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IL BACKGROUND TECNOLOGICO E NORMATIVO DI INDUSTRIA 4.0

15/05/2018
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Il contributo degli enti normatori per creare un modello di convergenza tecnologica sostenibile e condiviso.

Paolo Pinceti, Università di Genova, Dipartimento DITEN, Membro del CEI 65 e del JWG 21 ISO/IEC

 

Introduzione

Industrie 4.0 è il nome di un programma congiunto dei Ministeri dell’Industria e della Ricerca tedeschi del 2011 per la digitalizzazione delle aziende manifatturiere tedesche e fa riferimento ad una presunta “quarta rivoluzione industriale”.

Il piano tedesco è orientato verso lo sviluppo di sistemi di produzione cyber-fisici (dove cioè l’operatore umano interagisce con la macchina in maniera integrata), flessibili, e connessi in rete.

La visione di Industrie 4.0 incorpora tutte le funzioni produttive, dalla gestione delle materie prime, al magazzino, alla vendita del prodotto finale. La moda del 4.0 ha preso campo, e si è rapidamente estesa ad altri Paesi che hanno lanciato programmi per lo sviluppo della fabbrica digitalizzata dai nomi più o meno fantasiosi: “Fabrique du Futur” in Francia, “Catapult Programme” in UK, “Made in China 2025” in Cina, “e-F@ctory Alliance” in Giappone, Piano Industria 4.0 in Italia.

In realtà, il Ministero della Ricerca e dell’Università italiano (MIUR) aveva lanciato nel 2012 il progetto “Fabbrica del Futuro” che ha originato il Cluster Fabbrica Intelligente, raggruppamento di aziende ed università finalizzato allo sviluppo di progetti di ricerca nel settore appunto della fabbrica intelligente.

Come noto il Piano Industria 4.0 è invece supportato dal Ministero dello Sviluppo Economico (MISE) coordinato strettamente con il Ministero dell’Economia e delle Finanze (MEF), molto meno con il MIUR.

Solo oggi, dopo più di un anno dal suo lancio, è partito il bando per i Digital Innovation Hub supportati dal Piano Industria 4.0. Si tratterà di strutture che ruotano attorno a università o enti di ricerca pubblici, associazioni industriali, camere di commercio, aventi lo scopo generico di favorire la digitalizzazione delle imprese italiane attraverso attività di formazione, coordinamento tra aziende del territorio, supporto all’accesso ai canali di finanziamento della ricerca industriale.

Nello stesso tempo si stanno muovendo anche gli enti normatori internazionali.

La IEC ha creato all’interno del Technical Committee 65 “Industrial-process measurement, control and automation” l’ad-Hoc Group 3 “Smart Manufacturing Framework and System Architec- ture” per accompagnare con opportune norme lo sviluppo delle tecnologie legate alla fabbrica 4.0. Nel luglio 2017 IEC TC 65 ed ISO TC 184 “Automation systems and integration” hanno costituito il Joint Working Group 21 “Smart Manufacturing Reference Model(s)” avente lo scopo di definire un modello di riferimento unificato per lo Smart Manufacturing. Significativamente, il primo obiettivo del JWG 21 è quello di dare una definizione formale e condivisa al termine Fabbrica Intelligente (o smart manufacturing, o Industria 4.0, o fabbrica del futuro,…).

 

Le attività di CEI/IEC per la fabbrica intelligente

Il CEI collabora attivamente alle attività della IEC nell’ambito della fabbrica intelligente che ruotano, come si è detto, attorno al TC 65, ed in particolare nel Joint Working Group 21 formato da quasi un centinaio di esperti da una ventina di Paesi diversi, le cui attività mirano anche a rispondere ad alcune domande fondamentali, come, tra le altre:

  • cosa c’è di realmente nuovo nello “smart manufacturing” che non fosse già nel manufacturing?
  • tutto il lavoro fatto in questi anni ha contribuito allo smart manufacturing oppure esistono delle nuove sfide e dei nuovi obiettivi per i quali le precedenti risposte non sono più sufficienti o adeguate?
  • è realmente necessario un nuovo sforzo di normazione, oppure le norme esistenti sono complete ma non siamo noi capaci di conoscerle tutte (anche per la grande trasversalità dei concetti/oggetti trattati)?

Si vede come si tratti di questioni che vanno all’essenza stessa del tema Industria 4.0, e cercano di sviscerarne i reali contenuti tecnici, andando oltre i facili slogan giornalistici o politici. È questo un ruolo essenziale del normatore tecnico: mantenere i problemi nell’ambito scientifico e tecnologico, analizzandoli in modo critico, alla luce delle competenze degli esperti che costituiscono i Comitati Tecnici.

Sul piano operativo, il JWG 21 ha costituito sette task force (TF) formate ciascuna da un ristretto numero di specialisti che lavorano su:

TF1 Scopo

Ha come obiettivo la definizione degli scopi del JWG21, ed in particolare:

  • definizione di Smart Manufacturing,
  • creazione di un modello di riferimento (reference model) per lo Smart Manufacturing.

TF2 Analisi del ciclo di vita

Identifica come debba modificarsi il flusso delle informazioni nella Smart Factory a seconda dei momenti considerati, dalla fase progettuale, al funzionamento, alla dismissione, includendo sia le funzioni di tipo ingegneristico, sia quelle legate al business della fabbrica.

TF3 Gerarchia

Considera il flusso dati tra i diversi livelli (gerarchici) della fabbrica: dall’apparato di campo, al con- trollo, alla linea produttiva, alla fabbrica, all’azienda, fino alle interazioni tra aziende, sia a livello di filiera produttiva e di distribuzione (supply chain), sia a livello di business.

TF4 Funzioni intelligenti

Le cosiddette funzioni intelligenti sono legate a quello che spesso è chiamato “asset manage- ment”, (in italiano sarebbe un orribile “gestione dei cespiti”) ed includono sia la gestione della comunicazione, sia la gestione dei dati a partire dai profili di comunicazione degli apparati, fino alla gestione ad alto livello (cloud, big data,…).

TF5 Viste e casi studio

Questa TF identifica i soggetti (umani ma non solo) che hanno interessi nella Smart Factory, la tipologia di dati di interesse di ciascuno di questi, le architetture dati che garantiscono un flusso delle informazioni efficiente e completo.

TF6 Temi addizionali

La TF ha lo scopo di identificare tematiche trasversali ed indirizzarle verso le TF più opportune. A solo titolo di esempio, si possono citare: la sicurezza dei dati (cyber security), la sicurezza degli operatori, l’interoperabilità, ecc.

TF7 Termini e definizioni

Attività fondamentale per superare la Babele di termini con significati diversi oggi esistenti nel mondo.

 

Tornando al piano tedesco Industrie 4.0 che ha in un certo senso originato tutto il movimento della Smart Factory, è utile osservare come lo stesso si articoli su tre obiettivi fondamentali:

  1. la digitalizzazione e l’integrazione della fabbrica,
  2. la digitalizzazione dei prodotti e dei servizi offerti,
  3. modelli innovativi di business digitale.

In linea con quelli che sono i suoi mandati essenziali, gli enti normatori tecnici si focalizzano solo sul primo aspetto – la digitalizzazione della fabbrica – essendo gli altri due in un ambito estraneo agli aspetti tecnici. È però indispensabile che vi sia sempre coscienza di quali sono gli obiettivi di fondo della “quarta rivoluzione”, cioè la digitalizzazione dell’intera catena del business, dei prodotti realizzati, dei servizi offerti.

 

Il modello di riferimento della Fabbrica 4.0

Come scrive la IEC nel White Paper Factory of the future, “La Smart Factory sarà caratterizzata da un più alto grado di connettività ed interoperabilità, che sono definite come la capacità di un sistema di interagire con altri sistemi senza un particolare sforzo per l’integrazione, ad esempio per la personalizzazione di interfacce”. Gli estensori del piano tedesco Industrie 4.0 hanno molto lucidamente scritto che “l’implementazione della ‘Visione Industria 4.0’ è ancora allo stato infantile”, e gli americani del Industrial Internet Consortium confermano che “c’è ancora un sacco di lavoro da fare” prima di arrivare a standard di comunicazione condivisi. La comunicazione è l’elemento attorno al quale ruota l’intera struttura della fabbrica smart, ed è necessaria la definizione di meccanismi di comunicazione più profondi e trasversali. Secondo le procedure consolidate nel mondo informatico, lo sviluppo di un software è facilitato (o anche reso possibile) dalla definizione di un “modello di riferimento”.

Secondo OASIS (1) un modello di riferimento è “un contesto astratto per la comprensione di relazioni significative tra le entità di qualche ambiente, e per lo sviluppo di standard coerenti o specifiche a sostegno di tale ambiente. Un modello di riferimento si basa su un piccolo numero di concetti unificanti e può essere utilizzato come base per la formazione e la spiegazione degli standard a un non-specialista. Un modello di riferimento non è direttamente collegato a un qualche standard, tecnologia o altri dettagli concreti di implementazione, ma cerca di fornire una semantica comune che può essere utilizzata in maniera non equivoca tra le diverse implementazioni”.

Nel caso specifico della Smart Factory, il modello di riferimento deve considerare le possibili interazioni tra i soggetti portatori di un qualche interesse (stakeholder) durante l’intero ciclo di vita della fabbrica, gli apparati ed i sottosistemi coinvolti, le funzioni necessarie al funzionamento della fabbrica, ecc., definendo un ambiente dove sia possibile identificare, ed in un secondo tempo specificare, il flusso dati delle diverse interazioni.

La piattaforma Industrie 4.0 ha aperto la strada con la definizione del Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0), mostrato in Figura 1 Il modello è un adattamento del modello CENELEC per Smart Grid (Smart Grid Architecture Model SGAM (2) al caso della fabbrica intelligente.

Figura 1 – RAMI 4.0 – Lo spazio Industrie 4.0.

L’asse verticale (Layers o Livelli) rappresenta le proprietà strutturali di un asset o di un insieme di asset (nel linguaggio 4.0 “asset” è un componente o un insieme di componenti della fabbrica, può essere un semplice sensore o anche una macchina complessa). Partendo dall’alto, i sei layer rappresentano:

  • Business: descrive gli aspetti commerciali, quali ad esempio: costi, organizzazione di vendita, risul- tati di vendita, ricezione ordini, ecc.
  • Functional: descrive le funzioni tecniche di un asset in relazione al sistema Industry 4.0, ed include: descrizione formale delle funzioni, piattaforma per l’integrazione orizzontale del device, servizi e fun-zioni runtime, ecc;
  • Information: descrive i dati che sono utilizzati, generati, o modificati dalle funzionalità tecniche dell’asset, e prevede: esecuzione di regole, verifica dell’integrità dei dati, acquisizione ed elaborazione di dati, ecc;
  • Communication: descrive le modalità di accesso alle informazioni ed alle funzioni di un asset connesso da parte degli altri asset. In altri termini, descrive che dati sono utilizzati, dove sono utilizzati e come sono distribuiti;
  • Integration: rappresenta lo strato di interfaccia tra il mondo fisico ed il mondo delle informazioni, che si occupa di gestire le proprietà e le funzioni degli asset. Questo layer può includere: descrizione (elettronica) degli asset, manuali, disegni, HMI, specifiche funzionali, ecc;
  • Asset: rappresenta gli oggetti reali in termini di ingombri, servizi, schemi di collegamento, archivi, ecc.

A titolo di esempio, la Figura 2 (tratta da un report del Instrumentation Technology & Economy Institute cinese) mostra la mappatura di un servo-attuatore su RAMI 4.0.

Figura 2 – Mappatura di un servo-attuatore su RAMI 4.0.

Il secondo asse rappresenta il ciclo di vita della fabbrica, definito in accordo alla Norma IEC 62890 “Life- cycle management for systems and products used in industrial-process measurement, control and automation” (in fase di pubblicazione).

In realtà la situazione è parecchio complessa perché esistono diversi cicli di vita che interagiscono tra loro: il ciclo di vita di un ordine (dalla ricezione fino alla consegna del prodotto), della supply-chain della fabbrica, di un prodotto, della fabbrica in sé, e così via. In ciascun istante sono attivi nella fabbrica diversi cicli di vita, come mostra la Figura 3 Un singolo asse non è forse sufficiente a rappresentare la realtà, e si sta lavorando per trovare una rappresentazione efficace.

Figura 3 – Cicli di vita interagenti nella fabbrica.

Il terzo asse fa riferimento al modello “classico” a piramide dell’automazione industriale (Figura 4), quello definito dalle Norme IEC 62264/61512 (ANSI/ISA 95/88) al quale sono stati aggiunti alcuni livelli specifici per la fabbrica 4.0: prodotto, field device, e connected world.

Figura 4 – Modello classico dell’automazione industriale.

La parte bassa della piramide è il cosiddetto “campo” o “shop-floor”. La comunicazione tra controllo e campo avviene attraverso fieldbus specializzati supportati da associazioni di produttori (ad es. Profibus/Profinet, FieldComm Group, Ethercat,…) o da produttori singoli (ad es. DeviceNet, Interbus,…). I più diffusi fieldbus sono ormai anche standard pubblici, essendo stati recepiti dalla IEC e raggruppati nella sin troppo vasta famiglia di standard IEC 61158. Il livello più alto della piramide, sopra lo SCADA, è costituito dal MES (Manifacturing Execution System) che ha lo scopo di gestire e programmare la produzione della fabbrica e dall’ERP (Enterprise Resource Planning) che integra i software gestionali dell’azienda. I livelli 3 e 4 fanno riferimento al modello funzionale basato sul Purdue Reference Model utilizzando il Common Information Model, cioè uno standard aperto che definisce come rappresentare e gestire tutti gli elementi in ambiente di IT aziendale (3). Lo scopo primario della Norma IEC 62264 (ISA 95) è la definizione delle interazioni B2M e M2B (dove B=business e M=manufacturing) per gestire gli scambi dati tra i livelli 3 e 4. Le transazioni avvengono con un meccanismo provider/consumer che scambia file XML con schemi predefiniti (B2M Markup Language). Ogni programma di gestione dell’azienda (ad es. per la manutenzione o la programmazione della produzione) può interagire con altri programmi scambiandosi file XML standardizzati. Se, ad esempio, la funzione controllo costi vuole acquisire i dati di produzione non farà altro che richiedere alla funzione controllo del processo l’invio del file XML che li contiene, file che sarà scritto con una sintassi standardizzata. E così via per tutte le transazioni inter-aziendali.

Al momento non vi è ancora un modello di riferimento consolidato, e diversi gruppi di lavoro han voluto produrre il proprio modello di riferimento, utilizzando strutture multi-dimensionali più o meno colorate e complicate. La Figura 5 ne riporta alcuni.

Figura 5 – Modelli di riferimento da Cina, Francia, Giappone, Germania e Stati Uniti.

 

La Digital Factory IEC

Già da qualche anno la IEC ha lanciato il progetto Digital Factory (IEC 62832) che sta comportando un grande lavoro di definizione di tutti i dati che sono necessari a definire ogni dispositivo che costituisce la fabbrica. L’ambizione del progetto DF è quella di realizzare un ambiente virtualizzato dove sia possibile sviluppare tutte le attività necessarie alla realizzazione e all’esercizio di una fabbrica. Il cuore di questa visione è la libreria digitale che contiene i dati dei componenti.

Ogni oggetto che costituisce la fabbrica è contenuto in una libreria digitale universale (Digital Product Repository) costruita assiemando dati standard, dati provenienti da consorzi (ad esempio per la comunicazione), dati specifici del costruttore di quello specifico componente. Il progettista scarica i modelli digitali dei componenti dal repository e costruisce la fabbrica.

Tecnicamente, si dice che gli oggetti sono istanziati, interconnessi funzionalmente, e finiscono nel modello digitale della fabbrica (il digital twin) sul quale vengono implementate tutte le funzioni, dal controllo real-time al asset management. I modelli digitali dei componenti sono costruiti utilizzando una sintassi e le liste delle proprietà standardizzate.

La IEC rende disponibile on-line il Common Data Dictionary (CDD) che contiene la lista delle proprietà (LoP) dei componenti utilizzati per costruire una fabbrica suddivisi in tre famiglie: componenti elettrici ed elettronici, componenti per l’automazione di processo, quadri di bassa tensione (4).

Il CDD è strutturato per classi, apparati, proprietà ed attributi.

Ogni oggetto è quindi caratterizzato da una lista di proprietà suddivise in blocchi funzionali: costruttive, funzionali, di installazione, prestazioni, ecc. Ogni singolo attributo ha un identificatore unico, elemento ritenuto essenziale per l’interoperabilità.

Le attività di standardizzazione per la Digital Factory sono oggi coordinate con quelle relative allo Smart Manufacturing, e ne rappresentano lo zoccolo di base (Figura 6).

Figura 6 – La Digital Factory di IEC.

 

La comunicazione

Nella accezione più condivisa, la fabbrica 4.0 differisce dalla fabbrica attuale per il meccanismo di comunicazione che dovrà essere più semplice, immediato, plug-and-play dell’attuale.

Nella visione Industrie 4.0 ogni apparato (asset) possiede una administration shell che ne immagazzina tutti i dati e funziona come interfaccia di comunicazione verso la rete (Figura 7). Più apparati possono costituire una unità funzionale (ad es. una macchina) che potrà avere la sua administration shell. Più unità funzionali possono costituire un impianto con la sua administration shell, e così via. In estrema sintesi, le cose rappresentano il mondo reale, le administration shell la loro rappresentazione digitale.

Industrie 4.0 prevede di utilizzare le proprietà del CDD IEC strutturandole secondo criteri semantici, dove cioè ai dati è associato il loro significato. Occorre evidenziare che il World Wide Web Consortium (W3C) che regolamenta il mondo di Internet nel Resource Description Framework (RDF) ha definito regole per la costruzione del semantic web che differiscono da quelle adottate da IEC per il CDD.

Industrie 4.0 prevede l’impiego di OPC UA (IEC 62541) come tecnologia di scambio dati. OPC UA, ormai svincolata da una specifica piattaforma, sta passando da essere uno strumento per lo scambio dati ad essere uno strumento per lo scambio di modelli informativi. Come già accade per lo scambio dati tra livello 3 e 4 in ISA 95, OPC UA sta implementando una serie di companion specification per implementare lo scambio di modelli dati, quali, ad esempio, quelli previsti da RAMI 4.0.

Figura 7 – Il modello Industrie 4.0 – Administration Shell.

Un gruppo di lavoro della OPC Foundation sta sviluppando un nuovo modello di comunicazione per OPC UA, non basato su un meccanismo client-server come l’esistente, ma su un meccanismo di tipo publisher/ subscriber che è specificatamente teso a supportare servizi M2M e IoT. Sono previsti due modi di comunicazione:

  • su rete locale (Figura 8. A): il nodo che genera un dato (publisher) lo invia sulla rete usando UDP Secure Multicast appoggiandosi su UDP (User Datagram Protocol) e TSN (Time Sensitive Networking). Il dato è ricevuto simultaneamente da un numero qualsiasi di nodi (subscriber);
  • su rete globale (Figura 8.B): publisher e subscriber possono essere su reti diverse o sul cloud. I mes-saggi saranno veicolati, con ogni probabilità, utilizzando il protocollo AMQP (Advanced Message Queuing Protocol). In questo caso i messaggi sono gestiti da un broker che può aggiungere servizi (elaborazioni statistiche, accorpamento di dati, check di congruità, ecc ).
Figura 8 – OPC UA Publisher/Subscriber

Questi nuovi modi di comunicazione impattano solo sul layer Trasporto, per cui tutti i contenuti della comunicazione restano inalterati. In altri termini, il modo di comunicazione è trasparente per le applicazioni che non richiedono personalizzazioni o modifiche. OPC UA è uno strumento di comunicazione che può essere utilizzato per trasferire contenuti diversi. Ne è un esempio l’integrazione con ISA 95, come il recente accordo con FDT Group per sviluppare congiuntamente un Frame FDT in grado di comunicare con i dispositivi attraverso OPC UA (chiamato FITS – FDT IIoT Server).

 

E l’Internet of Things?

Il concetto di Industria 4.0 è strettamente correlato al concetto più generale di Internet of Thing (IoT), anche se non è per niente chiaro cosa sia l’IoT. In un report del marzo 2014 la IEEE lo definisce: “Una rete di oggetti – ognuno dotato di sensori – che sono connessi a Internet”. Definizione non ufficiale, un po’ minimal, orientata all’aspetto fisico ma nella sostanza veritiera.

Gli ambiti di applicazione dell’IoT sono i più disparati, dalla medicina alla mobilità, dalla domotica ai centri commerciali, e in questo senso Industria 4.0 può essere considerato come l’applicazione nel mondo industriale della IoT. Esiste un’organizzazione specifica per lo sviluppo dell’IoT in ambiente industriale: Industrial Internet Consortium (I3C) che mira a definire le specifiche della Industrial Internet of Things (IIoT). Nato nel 2014, ne fanno parte le maggiori aziende produttrici di automazione.

Il consorzio IIC ha sviluppato un proprio modello di riferimento (Industrial Internet Reference Architecture – IIRA) in parte sovrapponibile al RAMI 4.0 di Platform Industrie 4.0. Le due associazioni (molte aziende tedesche operano in entrambe) stanno congiuntamente cercando di allineare i propri modelli di riferimento o quantomeno per renderli interoperabili. Analoga attività sta sviluppando la IEEE con un gruppo di lavoro al quale partecipano quasi tutti gli stessi attori del Consorzio IIC.

I grandi player del mondo IoT sono le aziende over-the-top di Internet (Amazon, Alphabet,…), i produttori di elettronica di consumo (Apple, Huawei, Samsung,…), le aziende di consulting aziendale (SAP, Accenture,…), i produttori di software (Microsoft, IBM,…), i produttori di hardware (Intel, Cisco,…), e solo marginalmente le aziende del settore industriale. IoT soffre oggi di una frammentazione del mercato e della presenza di diversi ecosistemi tra loro non compatibili. Solo per citare i più noti, abbiamo:

  • Microsoft con Windows 10 IoT una versione scalabile di Windows 10 per gestire in modo nativo la comunicazione e lo scambio di servizi con periferiche smart e con Azure Event Gride, un servizio cloud per la gestione di applicazioni event-based;
  • Amazon Web Services IoT che offre un kit di librerie per la connessione e lo scambio di messaggi anche attraverso il cloud;
  • Android things, un ecosistema per lo sviluppo di apparati smart e app;
  • Apple con iOS 11, CarPlay (per l’automotive), HomeKit (per la domotica).

Anche se tutt’altro che consolidate, le tecnologie della IoT oggi sembrano orientarsi su architetture event- driven (EDA) dove insistono nodi che “emettono eventi” e nodi che “consumano eventi”, rispettivamente detti agent e sink. Con evento si intende una qualsiasi variazione di stato di un qualche elemento; evento può quindi essere un allarme ma anche la variazione di un valore analogico.

Un agente ha la responsabilità di emettere la notifica di un evento, ma non ha visibilità dei consumatori (che potrebbero anche non esistere). L’implementazione fisica di questo tipo di comunicazione richiede un’infrastruttura di tipo software che provveda alla distribuzione degli eventi.

Il futuro OPC UA publisher/subscriber utilizzerà un message-oriented middleware avente proprio questa finalità e rientra quindi tra le EDA. Secondo accordi già definiti, una volta che OPC UA avrà definito questo nuovo protocollo, il risultato verrà passato a IEC TC65 per trasformarlo in norma internazionale.

 

Conclusioni

I normatori internazionali (in Italia in primis il CEI) stanno monitorando con attenzione lo sviluppo delle tecnologie proposte per la Fabbrica 4.0 per cercare di velocizzare la convergenza verso soluzioni condivise. L’attività che il CEI sta mettendo in atto a livello normativo (Comitato Tecnico CT 65 e nuovo CT 321 “Smart manufacturing”) vuole fungere da catalizzatore per un significativo coinvolgimento della presenza italiana, sia come espressione dei propri stakeholders sia di associazioni esterne al CEI.

Le aziende italiane sono di fatto assenti nei gruppi che sviluppano le nuove tecnologie (OPC Foundation, Industrial Internet Consortium, FieldComm Group, ecc.), per cui il ritardo tecnologico che già oggi abbiamo non potrà che accrescersi.

Ancora più grave il ritardo rispetto alle tecnologie IoT, pilotato dalle macro-aziende del settore informatico/ telecomunicazioni, nessuna delle quali ha base (anzi “cervello”) in Italia.

La partecipazione ai consorzi potrebbe essere forse attivata attraverso le associazioni di categoria, se queste acquisissero una maggiore impronta tecnologica.


(1) https://www.oasis-open.org/committees/soa-rm/faq.php

(2) https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/xpert_group1_reference_architecture.pdf

(3) https://www.dmtf.org/

(4) https://cdd.iec.ch/

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