Libero accesso alla nuvola, l’IIoT in chiave arancione

Controllo in tempo reale, connettività Internet, aggregazione e storicizzazione dei dati, data analytics, business intelligence, machine learning, stoccaggio di lungo periodo dei dati, sono alcune delle variabili da considerare quando ci si appresta alla gestione di fabbrica e all’analisi dei dati per diventare Industrial IoT ready.

La raccolta di dati dal campo è tuttavia l’aspetto cruciale e il primo di cui occuparsi, prima di concentrarsi sulle analisi delle informazioni per i successivi interventi di ottimizzazione.

Possedere il dato consente di analizzare localmente quanto accade sulle macchine e sulle linee e intervenire tempestivamente; ma rende possibile anche tracciare le prestazioni dell’intera fabbrica e magari mettere a confronto diversi stabilimenti, per intervenire e ottimizzare i processi laddove sia più conveniente.

Il famoso dato dev’essere possibilmente accessibile da parte di più persone, spesso in diverse parti del mondo, pertanto spesso conviene convogliare le informazioni in una base di dati condivisa. Questo non significa inviare istantaneamente ogni singolo dato disponibile al cloud, ma piuttosto filtrare le informazioni rilevanti e trasmetterle con una frequenza adeguata, considerata la natura e la variabilità del dato.

Per svolgere queste operazioni di raccolta, aggregazione, presentazione e talvolta analisi preliminare dei dati, si viene a creare uno strato di confine tra le macchine e la fabbrica da una parte, e servizi e applicazioni cloud a livello superiore.

In questo strato perimetrale, che chiamiamo Edge, è possibile raccogliere sistematicamente i dati di fabbrica, riservandosi la possibilità di analizzarli in loco e agire, in virtù di quanto si verifica sull’hardware fisico, prima ancora di muoversi dallo spazio OT a quello IT.

L’Edge può essere più o meno complesso e svolgere differenti funzioni, diventa pertanto un elemento strategico e importante da considerare in ottica IIoT.

La via per l’IIoT passa dall’Edge

Una fabbrica è generalmente equipaggiata con varie macchine, con centinaia di controllori e migliaia di sensori e attuatori. Anche se in taluni casi è possibile per un controllore inviare direttamente agli strati superiori come MES-MOM / ERP / cloud, resta difficile raccogliere dati da ognuno di essi individualmente.

Facendo un parallelo con un organigramma aziendale, i direttori generali hanno solo una manciata di persone che riportano a loro, anche se sono centinaia quelli che riferiscono ai responsabili dei vari dipartimenti. Sarebbe virtualmente possibile che ognuna delle centinaia di persone in azienda riportasse al direttore generale ma, in pratica, non succede.

In modo analogo anche in fabbrica sarebbe fisicamente possibile raccogliere e trasmettere direttamente i dati da ogni singolo dispositivo in campo, ma non è di fatto conveniente. È di capitale importanza avere un punto di raccolta che convogli le informazioni e le veicoli verso gli strati superiori.

La corretta gestione dell’Edge consente di raccogliere i dati di fabbrica e tracciarne gli andamenti per convertirli in informazioni preziose e interpretabili, da utilizzare subito, in loco, o trasmetterle in remoto per condividerle e stoccarle per le successive analisi.

Le possibili declinazioni dell’Edge

La quantità e il tipo di funzioni svolte sul confine verso il cloud determina la tipologia dell’Edge. La sfida qui è soddisfare tutte le necessità impiegando la minima dotazione di hardware e software, in modo che sia economicamente conveniente. Ecco allora che si declinano proposte via via più articolate al crescere delle richieste.

Edge connect, è la soluzione più elementare e prevede un semplice bus controller per condividere pochi dati o dati aggregati – ovviamente criptati – senza necessità di aggiornamento in tempo reale.

Una seconda morfologia è l’Embedded Edge, dove un controller standard: un PLC o un PC industriale già presente nelle installazioni di fabbrica, gestisce la raccolta, l’aggregazione, l’invio e il salvataggio dei dati. Controllo in tempo reale e connettività internet con funzioni di security sono inclusi in questa opzione che consente l’aggregazione dei dati, oltre alla loro storicizzazione.

Per una maggiore potenza computazionale, è possibile scalare verso un Automation PC (APC) che funga da Edge Controller. Le fabbriche possono dunque compiere un passo ulteriore nella direzione di un controllo della produzione, introducendo funzioni di business intelligence e di machine learning, oltre a implementare azioni correttive migliorative dei processi e della produttività generale.

Aggiungendo poi servizi cloud, è possibile ottenere lo stoccaggio dei dati per il lungo periodo, indipendentemente dall’architettura di controllo sottostante dove, grazie alla scalabilità di strumenti di sviluppo software come Automation Studio, è possibile mantenere aggiornato il sistema di controllo, scalando o modificando l’hardware, senza dover riprogrammare.Apertura + Standard = Libero accesso alla nuvola

È evidente che una connettività aperta faciliti lo scambio di dati a partire dal campo fino al livello cloud, passando per la connessione tra macchina e macchina e i sistemi di fabbrica.

In funzione delle necessità contingenti di ogni impianto, è possibile scegliere tra le differenti varianti di sistemi di comunicazioni basati su standard Ethernet e conformi al più recente IEEE 802.3.

In particolare il livello di processo, i sistemi MES e ERP non necessitano di comunicazioni in tempo reale ma con alti livelli di security. La rete attiva a questo livello deve prevedere opportune opzioni di connettività verso il cloud senza richiedere modifiche hardware.

Analogamente, la rete sul campo, che mette in connessione sensori, attuatori, organi di movimento e altri dispositivi di campo, deve essere deterministica e rispondere in tempo reale con la reattività dettata dall’applicazione specifica (a volte con elevata dinamica). Dovendo mettere in connessione la fabbrica da un capo all’altro, è importante che anche qui si rispetti l’aderenza allo standard Ethernet.

La sicurezza, intesa come safety, è un altro aspetto cruciale da tenere in considerazione. Perciò anche in un contesto di macchine fornite da produttori differenti è indispensabile che queste possano scambiare dati di sicurezza in reti basate su Ethernet.

Utilizzando soluzioni open source disponibili è possibile rispondere alle esigenze di un mercato in rapida evoluzione e rompere i vincoli imposti dalle soluzioni proprietarie, che è proprio un punto cruciale dell’Industry 4.0.

L’OPC Unified Architecture (OPC UA) promossa e gestita dall’OPC Foundation è una soluzione basata su standard Ethernet, completamente open source e indipendente dal produttore e dall’architettura. OPC UA è disponibile di default nei controllori B&R – attivabile con la semplice spunta di un flag – e configurabile come client o server.

In combinazione con i blocchi funzione PLCopen per la programmazione del sistema di controllo, OPC UA rende possibile ottenere comunicazioni tra le varie macchine e i livelli superiori, facilitando al contempo la comunicazione tra le macchine utilizzando i controller esistenti.

Oltre che con ERP e MES, OPC UA garantisce anche accesso al cloud, grazie al fatto che molti provider hanno ormai driver OPC UA disponibili per le loro piattaforme.

L’introduzione delle TSN (Time Sensitive Networks) – sviluppate e regolate da consorzi sempre in modalità open – porta inoltre una sincronizzazione temporale e quel determinismo richiesto in ambiente industriale.

Dal campo alla nuvola, dal controllo alla sicurezza, ogni aspetto dunque beneficia di un approccio open source e di sistemi interconnessi e intrinsecamente modulari. Adottare combinazioni di protocolli e architetture aperte come POWERLINK, openSAFETY e OPC UA con TSN, insieme a soluzioni di controllo completamente integrate e scalabili, permette di creare e aggiornare liberamente l’architettura del proprio edge, mettendo in connessione non solo nuovi impianti ma anche quelli esistenti, rendendo le fabbriche smart e IIoT ready.

La sfida degli impianti datati – vinta!

Mentre negli impianti recenti e tutti quelli nuovi – “green” field – è normale avere dei controllori che sono dotati delle tecnologie per interconnettersi, negli impianti preesistenti – “brown” field – non è così scontato.

Specialmente quando si parla di vecchie installazioni, con sistemi di controllo di varie parti, la raccolta dei dati pone qualche sfida. Ci si trova a integrare controllori che dialogano su bus di campo legacy o addirittura senza funzioni di connettività. Come uscire dall’impasse?

Sistemi non invasivi di acquisizione e condivisione dei dati, come l’Orange box di B&R, possono rendere pronte per l’IIoT anche le installazioni datate, compiendo un passo enorme verso la fabbrica intelligente e l’efficientamento della produzione.

Gli utenti possono ottenere un miglioramento dell’efficienza generale di impianto (OEE: Overall Equipment Effectiveness), oltre a una manutenzione delle macchine più semplice. OrangeBox è anche un modo semplice per implementare l’acquisizione dei dati di stabilimento e di processo, combinando il monitoraggio dell’energia e delle condizioni di macchine e impianti. Questo consente agli operatori di sfruttare le ultime tecnologie anche su linee con sistemi datati.

L’investimento in questo modo è salvo e si può pensare al prossimo passo sulla via per l’ottimizzazione.

 

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