Immaginate uno stabilimento di produzione in cui tutto procede secondo i piani. I processi funzionano sempre entro limiti controllati, le variazioni sono eliminate e ogni prodotto finale è identico. Non si verificano mai guasti e i tempi di inattività non pianificati sono semplicemente inesistenti. Non viene mai sprecata materia prima, la resa è esattamente quella prevista, giorno dopo giorno, e i costi energetici sono ridotti al minimo. Aggiungete poi una marea di dati sui processi, che consentono agli ingegneri di identificare e dare priorità alle opportunità di miglioramento.
Sembra un'utopia manifatturiera, ma non è così lontana se l'Industria 4.0 realizza il suo potenziale. Questo white paper di OMEGA Engineering spiega i concetti alla base dell'Industria 4.0 e le loro implicazioni per gli ingegneri e i tecnici delle industrie manifatturiere e di processo. Le sezioni trattano:
- L'origine e il significato di "Industria 4.0"
- IIoT e M2M
- Applicazioni commerciali e industriali
- Stato attuale
- Problemi e preoccupazioni
L'origine e il significato di "Industria 4.0"
Il settore manifatturiero sta per subire un cambiamento epocale, paragonabile all'avvento del motore a vapore, al passaggio all'energia elettrica e all'adozione dell'elaborazione computerizzata dei dati e dell'automazione. Gli industriali e gli accademici tedeschi hanno chiamato questo cambiamento "Industria 4.0", riconoscendo che esso rappresenta un nuovo approccio alla produzione.
L'Industria 4.0 consolida i progressi già in atto nel campo dei sensori e delle comunicazioni. Si tratta di un programma coordinato finalizzato allo sviluppo e alla diffusione di dispositivi "intelligenti". Questo comprende concetti come l'"Internet delle cose" (IoT), l'"Internet industriale delle cose" (IIoT), la comunicazione machine-to-machine (M2M), IPv6, RFID, cloud computing e data mining. IIoT e M2M Le reti Ethernet sono ormai consolidate, ma con la miniaturizzazione dei processori i computer sono passati dai desktop alle fabbriche e ai magazzini e ora vengono integrati nei sensori e negli attuatori. L'integrazione di funzionalità di comunicazione come 802.11 Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee in questi dispositivi consente loro di inviare e ricevere messaggi. Aggiungendo poi l'IPv6, che aumenta notevolmente il numero di indirizzi disponibili, ogni dispositivo connesso ha un'identità univoca. Questo è l'IoT.
Storicamente, i sensori utilizzati nelle industrie manifatturiere e di processo si limitavano a rilevare dati (temperatura, umidità, eventualmente pressione barometrica), lasciando che un circuito PID rispondesse o che la presentazione fosse affidata a un registratore grafico. Gli attuatori avevano capacità di acquisizione dati molto limitate, solitamente limitate alle uscite dell'encoder. L'avvento dell'IoT ha stimolato la creazione dell'IIoT, la versione industriale dei dispositivi in rete. Questi utilizzano protocolli industriali basati su Ethernet per inviare e ricevere informazioni di processo.
Il passo logico successivo è quello di far "comunicare" direttamente questi dispositivi tra loro, eliminando la sala di controllo o il controller di supervisione e togliendo gli esseri umani dal circuito. Questo è ciò che viene chiamato comunicazione "machine-to-machine". Si tratta di automazione decentralizzata.
Applicazioni commerciali e industriali
I dispositivi collegati in rete esistono nel settore consumer da diversi anni. Il termostato Nest è stato uno dei primi dispositivi connessi, seguito da baby monitor intelligenti, sistemi di controllo degli accessi e persino elettrodomestici intelligenti. Immaginate un baby monitor che emette un allarme in risposta a variazioni della frequenza cardiaca o della temperatura e poi consiglia ai genitori la struttura di pronto soccorso più vicina, o un frigorifero che conosce le date di scadenza di tutto ciò che contiene.
Nell'industria manifatturiera e di processo, la promessa dell'IIoT è duplice:
- I sensori e gli attuatori collegati in rete forniranno un controllo distribuito e autonomo, rispondendo agli eventi secondo necessità. La qualità della produzione migliorerà grazie all'eliminazione delle variazioni e la produttività aumenterà grazie alla riduzione degli scarti e dei rifiuti. Ad esempio, il monitoraggio dei livelli di luce riflessa potrebbe consentire a un processo di stampa di adattarsi ai cambiamenti nei rivestimenti dei materiali. In alternativa, un processo potrebbe adattare i tempi di riscaldamento e asciugatura per adattarsi al contenuto di umidità variabile nei materiali in ingresso.
- Con l'aumentare della capacità di monitorare le risorse fisiche, in particolare quelle ampiamente distribuite, le apparecchiature segnaleranno il loro "stato di salute" fisico. I guasti diventeranno un ricordo del passato, mentre la Manutenzione diventerà più precisa, prolungando la durata delle risorse e aumentando il ROI. Ad esempio, una pompa potrebbe monitorare pressioni, temperature e vibrazioni. Un cambiamento nella firma la spingerebbe a identificare le parti che devono essere sostituite, a verificare se sono già presenti in magazzino e a creare un ordine se non lo sono. Quindi comunicherebbe con il sistema di controllo della produzione per programmare un periodo di inattività e persino stampare un ordine di lavoro per il tecnico quando è il momento di eseguire il lavoro.
Stato attuale
Alcune di queste funzionalità IIoT sono ancora in fase di ricerca, ma molte sono già disponibili. Un numero crescente di dispositivi è dotato di intelligenza e capacità di comunicazione integrate. Una sonda intelligente per la misurazione della temperatura conosce i valori di correzione necessari per letture accurate e può essere collegata direttamente a un registratore. I registratori di dati non si limitano più a registrare proprietà come la temperatura e la pressione, ma inviano questi valori tramite Ethernet o in modalità wireless ad altri sistemi.
Issues and concerns
Nessuna discussione sull'IIoT sarebbe completa senza menzionare le sfide. Queste includono:
- Alimentazione: quando non è disponibile un'alimentazione a 24 V, l'alternativa è costituita da batterie a lunga durata abbinate a strategie innovative di standby/"Wake-On-LAN" per ridurre al minimo il consumo energetico. Inoltre, stanno emergendo varianti Wi-Fi a basso consumo energetico per prolungare ulteriormente la durata della batteria.
- In prospettiva, le tecniche di raccolta dell'energia potrebbero fornire energia "gratuita" per tutta la durata del dispositivo.
- Sicurezza: gli utenti industriali di dispositivi intelligenti riconoscono i rischi di intercettazione delle comunicazioni e richiederanno sempre più spesso ai fornitori di incorporare adeguate misure di sicurezza e protocolli di crittografia.
- Garanzia dei dati: tutte le transazioni di misurazione vengono confermate con tentativi automatici e sono in atto sistemi di sicurezza per fornire la Registrazione dati locali in ogni punto di possibile guasto della rete.
- Portata: i protocolli Bluetooth e Wi-Fi__33 hanno una portata limitata, ma alcuni dispositivi sono efficaci oltre i 1000 m (3280'). Pareti e altri ostacoli riducono la portata.
- Velocità di trasmissione dati: quando i dispositivi trasmettono su base campionaria, la velocità di trasmissione dati raramente rappresenta un problema. Tuttavia, potrebbe diventare un problema in futuro con l'aumento della quantità di dati da inviare. Le velocità di trasmissione dati adattive in base al valore misurato possono mitigare la congestione della rete con l'aumentare della quantità di dati.
- Validità dei dati: monitoraggio dello stato di salute e della durata dei sensori per favorire la manutenzione predittiva.
- Immunità alle interferenze. Le apparecchiature elettriche, in particolare i motori o qualsiasi cosa che crei un arco elettrico, possono causare interferenze elettromagnetiche. Ciò può portare alla perdita di dati o alla riduzione della Range. È necessario tenere conto di questi fattori quando si posizionano trasmettitori e ricevitori.
La tecnologia Industry 4.0 è arrivata
Industry 4.0, un termine che comprende l'"Industrial Internet of Things" (IIoT) insieme alla comunicazione machine-to-machine (M2M) e all'IPv6, mira a consolidare i progressi già in atto nel campo dei sensori e delle comunicazioni. Sebbene ci sia ancora molto lavoro da fare, sono già disponibili dispositivi che incorporano i concetti dell'IIoT. I trasmettitori e i ricevitori wireless, insieme alla comunicazione Ethernet e alla tecnologia dei server web, consentono a chiunque abbia l'autorizzazione di accedere in remoto alle informazioni di processo. Questa maggiore visibilità consente un monitoraggio superiore e una risposta più rapida in caso di problemi, consentendo alle aziende manifatturiere e di processo di risparmiare tempo e denaro, migliorando al contempo l'utilizzo delle risorse.
Registratori grafici Introduzione ai registratori grafici