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L’architettura di rete delle fabbriche odierne è in continua evoluzione e permette di migliorare l’efficienza, la sicurezza e la sostenibilità
Autore: Texas Instruments staff
Negli ultimi decenni, l’intelligenza in rete si è diffusa nelle nostre città, nelle nostre case e negli uffici, andando a potenziare ogni oggetto, dai termostati ai semafori. Questa evoluzione si è diffusa anche a livello della produzione in fabbrica nel momento in cui i fabbricanti valutano le possibilità di miglioramento della produzione grazie agli sviluppi nella connettività e nella digitalizzazione, ossia con l’Industria 4.0.
«La maggior parte delle persone ha fatto conoscenza con l’automazione nelle proprie case collegando a Internet i nodi all’edge o i terminali», ha detto Ahmed Salem, Vice Presidente e Direttore Generale per il settore dati ad alta velocità (HSD). «Analogamente, l’Industria 4.0 prevede il collegamento di questa innovazione nella tecnologia dell’informazione con tecnologie operative al fine di rendere i sistemi produttivi più intelligenti e più autonomi».
Mentre l’Industria 3.0 era definita dalla tipologia di robot in gabbia che sono stati utilizzati tradizionalmente nell’industria pesante e che tendono a svolgere soltanto un numero limitato di attività ripetibili, l’Industria 4.0 riguarda robot sufficientemente intelligenti da operare in sicurezza e autonomia di fianco agli esseri umani nelle operazioni di assemblaggio di qualsiasi cosa che vada dalle automobili alle ali dei velivoli, fino agli smartphone e ai computer portatili.
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Alla ricerca di un equilibrio fra velocità e affidabilità
L’architettura di rete delle fabbriche moderne tende a ottenere miglioramenti in termini di efficienza, sicurezza e sostenibilità attraverso lo sviluppo continuo di standard e protocolli di settore, come TSN (Time-Sensitive Networking), EtherCAT e Profinet.
«A casa, i problemi di sincronizzazione o una perdita di dati sono semplicemente frustranti», ha detto Ahmed. «Nell’automazione industriale, invece, l’affidabilità, anche nelle comunicazioni, è fondamentale, in quanto le conseguenze di una perdita di dati possono essere costose o anche catastrofiche».
Anche contrattempi minimi come un ritardo imprevisto di pochi millisecondi nella fornitura di un segnale di controllo potrebbero causare una perdita di sincronizzazione in una macchina per gas naturale compresso, provocando quindi danni permanenti. Nello scenario peggiore, un collegamento interrotto potrebbe portare a situazioni in cui un braccio robotizzato si muove pericolosamente fuori controllo.
Per questi motivi, le fabbriche si affidano tradizionalmente a tecnologie collaudate e testate per le comunicazioni di tipo deterministico, in modo da garantire la fornitura di tutti i segnali di controllo all’interno di una data finestra temporale. Il lato negativo della maggior parte di queste tecnologie risiede, tuttavia, nella loro bassa velocità, che rende impossibile ottenere quel flusso di informazioni veloce e ad alta capacità necessario per trarre vantaggio da sistemi a controllo intelligente e ricchi di sensori.
La tecnologia Ethernet, invece, offre già da tempo la larghezza di banda necessaria per l’automazione avanzata, con velocità massime nell’ordine di decine, centinaia o addirittura migliaia di megabit. EtherCAT e Profinet sono esempi di protocolli Ethernet industriali progettati appositamente per affrontare le sfide poste dagli ambienti industriali. La percentuale di nuovi impianti di comunicazione industriale che utilizzano l’Ethernet industriale è cresciuta dal 38% nel 20161 al 68% di quest’anno2.
Inoltre, lo sviluppo degli standard TSN rende l’Ethernet una scelta diffusa come parte di una rete di controllo tramite caratteristiche, come un clock distribuito di grande precisione e la priorizzazione automatica di messaggi di controllo time-sensitive, al fine di garantire la consegna all’interno di una finestra temporale specificata.
La nostra gamma comprende queste soluzioni di connettività e altre ancora, via cavo o wireless, le quali sono collaudate e testate per rispondere ai più elevati standard industriali, automotive e normativi.
Lavorare con infrastrutture legacy
Mentre i più recenti protocolli e il TSN potrebbero aver reso l’Ethernet idoneo all’utilizzo in ambienti di controllo industriale, i costi di installazione costituiscono ancora un ostacolo alla loro adozione.
Tradizionalmente, l’Ethernet è stato progettato attorno a più coppie a doppino intrecciato, con una lunghezza massima fino a 100 metri. Ciò significa che i fabbricanti interessati ad adottare l’Ethernet dovrebbero non soltanto sostituire il cablaggio utilizzato, ma potenzialmente cambiare l’intero layout di una fabbrica costruita su meno recenti tecnologie a singolo doppino che permettevano di utilizzare cavi con lunghezze di alcuni chilometri.
La maggior parte dei fabbricanti non può permettersi di fermare le proprie linee di produzione per più settimane per sostituire infrastrutture costose; pertanto lo sviluppo del Single-Pair Ethernet, in grado di funzionare sui cavi già esistenti una fabbrica, è stato un elemento fondamentale per l’adozione di questa tecnologia.
«La versione single-pair di Ethernet è stata progettata per agevolarne l’adozione, fondamentalmente senza dover cambiare il modo in cui si realizza una struttura produttiva», ha detto Peter Jones, presidente del consorzio industriale Ethernet Alliance. «Anziché aspettarsi che le fabbriche soddisfino i requisiti della moderna tecnologia dell’informazione, in questo caso l’approccio consiste nel rivolgersi a loro chiedendo “Che cosa vi serve e in che modo possiamo aiutarvi?”».
In qualità di membro della Ethernet Alliance, TI si impegna a fornire la propria assistenza nello sviluppo delle molte forme di Ethernet industriale attraverso la propria gamma di transceiver di livello fisico che supportano l’Ethernet nelle versioni single-pair, multipair o con cablaggio in fibra. Questi prodotti permettono ai progettisti di sistemi di automazione di optare per le elevate velocità e la bassa latenza dei nostri transceiver DP838x per Ethernet industriale da 10/100Mbps e 10/100/1000Mbps oppure per la portata via cavo da 2 chilometri del nostro transceiver DP83TD510 single-pair. Tutti i transceiver sono resilienti alle elevate temperature e al rumore elettromagnetico degli ambienti in fabbrica.
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Gli esperti di TI discutono le più recenti tendenze nel campo delle fabbriche connesse, tra cui la manutenzione predittiva, il time-sensitive networking e come l’Ethernet continui a portare avanti la trasformazione delle fabbriche affinché soddisfino le esigenze di digitalizzazione e connettività dell’Industria 4.0.
La semplificazione nel futuro della produzione
La costruzione del futuro dell’industria è un processo continuo. A mano a mano che i sensori complessi diventano più convenienti e le funzionalità di intelligenza artificiale (IA) si fanno più raffinate, aumenta anche la domanda di maggiore larghezza di banda per le comunicazioni.
Queste sfide sono comunque accompagnate da opportunità per creare processi produttivi più sostenibili ed efficienti.
I processori progettati per supportare l’IA edge, come la nostra gamma di processori AM6xA, potrebbero eliminare del tutto la necessità di comunicare con un PLC centralizzato. L’esecuzione di algoritmi di visione artificiale in locale potrebbe permettere ai robot non soltanto di lavorare al fianco degli esseri umani, ma anche di imparare da loro: ad esempio, adeguandosi per assistere una persona nell’esecuzione di una serie di attività di assemblaggio secondo la sua sequenza preferita.
Nel lungo termine, l’Industria 4.0 comporterà anche il monitoraggio continuo di sistemi fondamentali, tra cui sensori, attuatori e l’infrastruttura di comunicazione che li collega, e l’implementazione di analisi predittiva in grado di prevedere automaticamente il momento in cui è necessario eseguire interventi di manutenzione o riparazione.
Per i sistemi robotizzati più recenti, basati sulla visione, tecnologie come V3Link permettono di realizzare il trasporto video non compresso a bassa latenza, sincronizzato e scalabile, utile per evitare gli incidenti all’interno dello stabilimento produttivo.
Il miglioramento del coordinamento fra gli esseri umani e altri robot richiede un’elaborazione locale avanzata e spesso la connettività wireless per un sistema di posizionamento interno affidabile (vedere le opzioni interessanti per Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE) e Sub-1Ghz/BLE).
«Chiudere una fabbrica per la manutenzione è costoso», ha affermato Ahmed. «Se si agisce sulla base di un programma periodico, allora occorre intervenire periodicamente, che sia necessario o meno. Al contrario, la manutenzione predittiva prevede la possibilità di eseguire le attività di manutenzione solo come e quando è necessaria, evitando tempi di fermo e sprechi superflui».
Questi miglioramenti in termini di sicurezza, efficienza e sostenibilità sono più importanti dei vantaggi opzionali per i singoli fabbricanti. Si tratta infatti di passi fondamentali per la società nel suo complesso, in quanto cerchiamo di ottimizzare i nostri sistemi per affrontare al meglio le sfide poste dal XXI secolo, nelle parole di Roland Sperlich, Vice Presidente e Direttore Generale per il settore processori.
«Nel corso dei prossimi 10 anni penso che inizieremo a notare le capacità della tecnologia dei sensori e dell’IA edge nel fare la differenza in termini di consumo energetico, ad esempio con la possibilità di disattivare dinamicamente parti di una fabbrica e di riattivarle successivamente con rapidità a seconda delle necessità», ha spiegato. «Nel mondo vi sono paesi che devono affrontare la necessità di adattarsi alla crescita delle loro popolazioni e a una rete energetica ormai insufficiente: queste innovazioni saranno quindi fondamentali per offrire quelle tipologie di risparmio energetico richieste dai nostri clienti e di cui tutti noi abbiamo bisogno».
1Vedere «Industrial network market shares 2016», 30 giugno 2016 (Control Drives and Automation)
2Vedere «Industrial network market shares 2023», 5 maggio 2023 (HMS)
