Industrial IoT, ecco le tecnologie wireless per l’azienda 4.0

L’evoluzione di Industria 4.0 sarà supportata da sistemi di trasmissione dati in grado di offrire tassi di affidabilità sempre più elevati. Così da garantire slancio all’Industrial Iot destinata a potenziare i processi industriali. Se oggi i requisiti richiesti vengono garantiti dalle tecnologie di trasmissione via cavo, saranno però i sistemi wireless ad aprire nuovi scenari.

Di seguito un’analisi degli step a breve, medio e lungo termine.

L’Industrial IoT (IIoT) è un dominio applicativo specifico dell’Internet of Things (IoT) che si riferisce all’industria di quarta generazione (Industry 4.0).

Gli obiettivi dell’Industrial IoT

Il campo di applicazione dell’IIoT è il processo produttivo industriale: dispositivi a microprocessore dotati di connettività (sensori, attuatori) permettono di effettuare il monitoraggio o il controllo di macchine di un impianto.

Lo scopo è ottimizzare la produzione, sostenere il processo di controllo della qualità, realizzare manutenzione predittiva, e ridurre i tempi di fermo macchina. I dispositivi possono essere disposti su una macchina o su più macchine (es: robot) che operano in maniera collaborativa. In futuro potranno essere messi in rete con altri dispositivi indossati da personale umano operante in prossimità, per una interazione uomo-macchina più sicura ed efficiente.

La digitalizzazione del processo produttivo richiede l’installazione di dispositivi connessi a bordo macchina, realizzando un cosiddetto sistema cyber-fisico (Cyber-Physical System, CPS): la realtà (la macchina, l’impianto) viene rappresentata ed analizzata mediante un modello digitale. I sistemi IIoT prevedono la connessione ad Internet e possono usufruire di servizi di storage e data analytics offerti da piattaforme in cloud, nonché di accesso remoto.

Tuttavia si usa spesso l’accezione IIoT anche per applicazioni in cui, per motivi di sicurezza, le funzionalità di monitoraggio e/o controllo sono eseguite localmente, da controllori collocati in prossimità dell’impianto, senza connessione ad Internet.

Quali sono i requisiti

La connettività tra i dispositivi dell’IIoT deve garantire alcuni requisiti fondamentali, caratteristici delle applicazioni industriali:

– per le funzioni di monitoraggio, non vi sono stringenti tempi di acquisizione dei dati (sono tollerabili latenze di qualche secondo, compatibili con gli interventi di un operatore), ma si può richiedere che i dati prelevati dai sensori siano caratterizzati da elevata precisione temporale (con risoluzione anche di 1 s, utile per verificare la correlazione tra i comportamenti di diversi pezzi macchina) e spaziale (determinazione della posizione centimetrica);

– per le funzioni di controllo, a tali requisiti si aggiungono quelli di massima latenza, ovvero di tempo necessario per la trasmissione dei dati raccolti dai dispositivi e inviati al controllore (il ciclo di controllo può imporre latenze massime inferiori a 50-100 s).

In entrambi i casi il livello di affidabilità della trasmissione dei dati deve essere altissimo.

Tali requisiti impongono vincoli molto stringenti alla tecnologia di comunicazione utilizzata per mettere in rete i dispositivi IIoT. Il requisito di precisione temporale impone l’uso di segnali caratterizzati da data rate almeno pari all’inverso della risoluzione richiesta, quindi di 1 Mbit/s; se a questo si aggiunge il requisito sulla massima latenza, la trasmissione di pacchetti dati (es: 125 byte) deve avvenire in tempi inferiori a qualche decina di s, quindi con data rate superiori ai 100 Mbit/s. La precisione spaziale centimetrica si ottiene solo con trasmissione di segnali con larghezza di banda maggiore di 10 GHz.

Dal cavo al wireless

Oggi questi requisiti di larghezza di banda e data rate sono garantiti da tecnologie di trasmissione su cavo (EtherCAT, PROFINET o altro); in questo caso la precisione spaziale non è un requisito imposto al sistema di comunicazione, poiché la presenza di un cavo impone il vincolo che il dispositivo sia su parti fisse della macchina, in posizioni note a priori.

Domani: nel breve termine l’adozione di sistemi wireless potrà aprire nuove frontiere: eliminando i cavi si semplifica la gestione della macchina e si può aumentare significativamente la densità di dispositivi montati.

Inoltre, i dispositivi possono essere collocati anche su parti in movimento.

L’eliminazione dei cavi impone però che i dispositivi siano energeticamente autonomi, il che si può garantire con l’applicazione di tecniche di energy harvesting o dotandoli di batterie. In entrambi i casi, l’efficienza energetica dei protocolli di comunicazione wireless è fondamentale.

Tra le opzioni disponibili in termini di tecnologia wireless, si può menzionare LoRa (a 868 MHz o a 2,4 GHz), NB-IOT, LTE-M, 5G-NR, con livelli di data rate crescenti ed efficienza energetica decrescente. Tuttavia, nemmeno 5G-NR potrà offrire latenze di 100 s. Inoltre, mentre LoRa si può proporre come tecnologia per CPS, le altre opzioni, basate su rete 4G o 5G, impongono un approccio IIoT in senso stretto, con l’operatore di rete mobile coinvolto nel loop di controllo.

Dopodomani: nel lungo temine, data rate, latenze e larghezze di banda compatibili con i requisiti dell’IIoT si potranno rendere disponibili adottando tecnologie di comunicazione wireless oggi non ancora standardizzate o utilizzate.

Da molti anni la comunità scientifica studia le caratteristiche della comunicazione wireless a onde millimetriche (sopra i 30 GHz) e nella banda dei TeraHertz (da 0,1 a 10 THz). Nel secondo caso in particolare, si tratta di sistemi di trasmissione con larghezza di banda di decine di GHz, e data rate fino a 1 Tbit/s. Ad essi si associano peraltro dispositivi potenzialmente di ridottissimo ingombro.

Il futuro nelle frequenze Terahertz

Primi prototipi (di dimensioni ancora non miniaturizzate) sono disponibili già da qualche anno; la complessità circuitale impone ancora tuttavia approcci non standard al progetto del dispositivo. La propagazione radio a quelle frequenze è tale che l’assorbimento di energia (in particolare a causa della molecola di ossigeno) limita fortemente le massime distanze di trasmissione, ma pare oramai certa la possibilità di raggiungere una decina di metri con potenze compatibili con quelle dell’ambito applicativo dell’IIoT.

Le tecnologie di comunicazione nella banda dei THz in particolare promettono interessantissimi sviluppi; la WRC-19 dell’ITU (l’International Telecommunication Union), a novembre 2019, potrebbe raccomandare l’utilizzo di porzioni di spettro a THz per il 6G.

Sarebbe auspicabile che, alla luce della grande disponibilità di banda a quelle frequenze, larghe porzioni di spettro fossero lasciate disponibili per sistemi CPS non soggetti a licenza (come le bande ISM a 2,4 GHz; ad oggi, in alcuni Paesi è disponibile una porzione di soli 2GHz di banda a frequenze di 245 GHz). Tra le applicazioni da analizzare per le future comunicazioni a THz, vi sono certamente quelle dell’IIoT e dei sistemi CPS industriali.