Siemens: ecco le soluzioni per un perfetto IoT di Fabbrica

La trasformazione digitale sta rapidamente cambiando il volto delle industrie. Sempre più macchinari e dispositivi smart sono interconnessi secondo la logica pervasiva dell’IoT. Ma attenzione: accelerare in questa direzione in assenza di un networking robusto e affidabile potrebbe dare vita a un gigante 4.0 dai piedi d’argilla. Mai come oggi sono indispensabili reti performanti e interoperabili in grado di supportare il dato nel suo viaggio dalla sorgente ai sistemi gestionali, dal campo al cloud. È dunque inevitabile per le aziende utenti del mondo manifatturiero e industriale intraprendere un percorso di standardizzazione e razionalizzazione del networking e di tutta la babele di protocolli presenti in ambiente di produzione. Per Siemens, il collante mediante il quale realizzare il tessuto connettivo della fabbrica digitale è l’Industrial Ethernet, standard di comunicazione avviato ormai a soppiantare i bus di campo che hanno prevalso nel passato (le reti di questo tipo rappresentano circa il 70% del mercato globale dei nuovi nodi installati nella Factory Automation).

A livello di plant Siemens propone la versione Profinet mentre a livello di integrazione verticale, quella che si occupa della comunicazione tra field e applicazioni enterprise e al cloud, la tecnologia prescelta è Opc Ua. All’orizzonte – come emerso nel corso della Siemens Digital Automation Week – il Time Sensitive Networking, nuovo standard di comunicazione da molti definito come il turbo power di Ethernet. Last but not least, il 5G che si candida a giocare un ruolo di primo piano nella comunicazione wireless dedicata all’operatività di robot, cobot, veicoli autonomi e all’interazione uomo-macchina allo shop floor, andando a porsi come alternativa all’attuale Industrial Wireless Lan. Per Siemens, il primo importante tassello per iniziare la sperimentazione del 5G è il nuovo router Scalance Mum856-1, disponibile dalla primavera del 2021 e progettato nell’automotive showroom e Test Center di Norimberga. Ne abbiamo parlato con Sander Rotmensen, Industrial 5G Expert di Siemens Digital Industries, l’operating company della multinazionale tedesca leader mondiale nelle tecnologie abilitanti per l’industria, guidata in Italia da Giuliano Busetto.

Tsn, Time Sensitive Netwoking: il turbo per reti Profinet e Opc Ua

L’Industrial Ethernet, è in ulteriore e progressivo consolidamento ed estensione. Profinet è ormai la tecnologia pervasiva a livello di campo mentre Opc Ua si afferma per l’integrazione verticale, quella che riguarda la connettività tra field, applicazioni enterprise Mes, Erp, e cloud. Ma tutto è in movimento. Con il tsn ovvero il Time Sensitive Networking vengono introdotti ulteriori livelli di gestione e performance: Quality of Service, bassa latenza, gestione contemporanea di differenti protocolli di comunicazione real-time. «Sia Profinet e Opc Ua erediteranno queste capacità turbo power», spiega Massimilano Galli, head of plc sales di Siemens Italia. Quality of Service significa che si possono definire delle priorità di comunicazione assegnando una porzione di banda e tempi di latenza differenziati in funzione delle esigenze applicative. Vuol dire che, sulla base delle esigenze del servizio, sarà possibile definire a priori le prestazioni per ciascun flusso di informazione, creando una rete ad alta disponibilità in grado di assicurare consegna affidabile e tempestiva delle informazioni. «Tsn contaminerà il futuro standard di comunicazione Ethernet, superando attuali limitazioni di Profinet, che non riesce a dare certezza assoluta sulle prestazioni quando deve gestire più protocolli» dice Galli. «Sia Profinet che Opc Ua beneficeranno di estensioni che permetteranno una trasmissione di dati con una latenza molto bassa, stabilita a priori e garantita, meccanismi avanzati di QoS (Quality of Services), un’elevata disponibilità di dati e la trasmissione parallela di diversi protocolli sulla stessa rete».

Reti wireless industriali: serve bassa latenza e affidabilità

Tuttavia, se questi sono i macro cambiamenti che stanno avvenendo a livello di reti cablate, la progressiva diffusione di robotica collaborativa, veicoli a guida autonoma e l’utilizzo estensivo di dispositivi mobili e wearable nello shop floor determina l’esigenza di avere reti wireless altrettanto performanti. Come spiega Sander Rotmensen, industrial 5G expert di Siemens Digital Industries, «si devono però rispettare criteri stringenti in termini di tempi di risposta e affidabilità poiché la comunicazione machine-to machine e human-to-machine necessita di bassissime latenze, nell’ordine di millisecondi». Secondo Rotmensen tre sono gli aspetti chiave da tenere presenti in merito all’utilizzo di una rete wireless in ambito industriale: Enhanced mobile broadband (embb), Ultra-relliable low latency communication (urrlc) e Massive machine type communication (mmtc). Esigenze che sono oggi solo parzialmente soddisfatte dalle attuali wireless lan, ma che potranno essere risolte con l’introduzione del 5G. In ambiente di produzione verrà implementato da Siemens come rete privata, con l’opzione di integrazione con reti 5G pubbliche. Come scegliere in quale direzione orientarsi? 5G o Wireless Lan? «Dipende, non esiste una soluzione univoca, dice Rotmensen. Le variabili che possono costituire una discriminante nella scelta dell’una o dell’altra rete sono rappresentate dalla densità di device per area di lavoro, dal  volume di dati che devono essere movimentati (data rate) e, non ultimo, dalla velocità di risposta che si deve sostenere».

Un framework di comunicazione adeguato

Dispositivi mobili, come ad esempio gli Agv, i veicoli a guida autonoma utilizzati per spostare materiali all’interno della fabbrica, o gli Amr, robot mobile autonomi, nonché migliaia di sensori disseminati nello shopfloor potrebbero avvantaggiarsi dalle prestazioni consentite con il 5G.

«Il network wi-fi fondato su questa nuova tecnologia è più robusto, veloce e sicuro della precedente generazione, in prospettiva adatto per creare un plant e un ambiente intralogistico flessibile e autonomo». Per Rotmensen, la questione centrale è l’interazione tra dispositivi mobili autonomi – robot, cobot e agv così come l’interazione uomo-macchina in modalità virtuale. «Serve connettività wireless a larga banda in grado di far interagire un numero variabile di device entro uno spazio definito con livelli di latenza bassissimi. Il 5G potrà supportare questo tipo di comunicazione ma la decisione finale, in merito a quale potrà essere la soluzione migliore, dovrà essere valutata di caso in caso. Potrà prevalere l’industrial lan oppure il 5G. Entrambe le strade sono percorribili. Si dovrà decidere quale delle due può supportare al meglio la singola esigenza applicativa».

Arriva il primo router 5G industriale

Siemens presenterà il primo router 5G Scalance Mum856-1 nella primavera del 2021 e supporterà sia 4G che 5G. Progettato per rispondere ad applicazioni industriali potrà essere utilizzato sia su reti pubbliche che private, rendendo così possibile anche una gestione e manutenzione remota di impianti e machine. Il router è stato progettato nell’automotive showroom e test center di Norimberga. Per le connessioni 5G industriali  il governo tedesco rende disponibili frequenze comprese tra 3,7 e 3,8 Ghz. Le sperimentazioni finora effettuate riguardano la gestione dell’operatività veicoli a guida autonoma (Agv) in ambiente di produzione e di intralogistica. Applicazioni, come si può ben immaginare, che devono poter contare su una comunicazione velocissima e allo stesso tempo resiliente. L’affidabilità deve essere massima, qualsiasi piccolo ritardo o compromissione dei dati che viaggiano sulla rete potrebbero infatti causare incidenti e disservizi rilevanti. I vantaggi più grandi? Enahanced mobile broadband (embb) con velocità 20 volte superiori a quelle del 4G; ultra-relaible low latency communication (urrlc) ovvero comunicazione affidabile con latenze inferiori ai 10 millisecondi.

Massive Machine-Type Communication

Se la versione 5G che si utilizza per il trasporto pubblico massimizza la capacità di banda in modo da sostenere il più alto volume di traffico, la versione su cui viene implementata una private network deve fare dei compromessi poiché non si potrà avere contemporaneamente livelli di low latency, broadband e numero dispositivi infiniti. Come affermato da Rotmensen, la soluzione sarà frutto di un bilanciamento tra le tre diverse performance che l’applicazione dovrà soddisfare. «Il tutto va configurato e implementato in base al volume di dati che si devono trattare e al numero di partecipanti (uomo e macchine) che devono essere coinvolti nella comunicazione».

Ecco quindi spiegato perché il 5G utilizzato in fabbrica sarà del tutto diverso da quello implementato su rete pubblica. La rete locale privata/locale 5G sarà gestita direttamente dal soggetto industriale e sarà dedicata a risolvere gli aspetti che finora si sono affrontati con industrial wireless lan, tra questi l’elaborazione dei dati on premise e il supporto a protocolli industriali come Opc Ua e Profinet. «Se la rete pubblica può arrivare a gestire un milione di device in un’area di un km quadro ovvero un device per metro quadro, in ambito industriale sarà teoricamente possibile gestire centinaia di device distribuiti su una superficie di 100 metri quadri», dice Rotmensen. «Il nostro router è basato sulla release 16 disponibile dal luglio scorso, la prima a sostenere requisiti 5G per applicazioni  industriali. Ma attenzione, conclude Rotmensen, prima di avere completa disponibilità di nuove e  più ricche funzioni si dovrà attendere il 2022». Insomma, il 5G è un work in progress e al momento per la connettività machine-to-machine e human to-machine la risposta risiede nell’infrastruttura industrial wireless lan.