Internet delle cose nell'industria con unità logica programmabile

Connettività intelligente ed indipendente dalla fabbrica al Cloud.

L'internet delle cose (IoT) è pronto a rivoluzionare il modo di fare business e competere con le aziende. Forse il maggiore impatto di questa rivoluzione avverrà sull'internet delle cose' (IoT), dove le fabbriche diventeranno fabbriche intelligenti, facendo leva su intelligenti sistemi di controllo distribuiti che sono supportati da analitiche basate sulla ricerca di bordi. Mentre gli attuali sistemi di controllo standard ad anello chiuso sono stati progettati per rispondere più rapidamente e con maggiore precisione rispetto a quanto potrebbe fare un operatore umano, i nuovi sistemi di controllo abilitati dalle analitiche basate sulla ricerca di bordi e dal cloud computing miglioreranno drasticamente l'efficienza della produzione utilizzando l'analitica dei big data, potenziati con un maggior numero di sensori, per individuare le tendenze e implementare autonomamente continue modifiche correttive e ottimizzanti nelle strategie di controllo dell’impianto locali e globali per aumentare l'efficienza, ridurre i costi operativi, diminuire i tempi di inattività e migliorare l'utilizzo degli asset e, questa rivoluzione, è probabilmente molto più avanti rispetto a quello che si può immaginare.

Una rapida introduzione nell'internet delle cose nell'industria

L'internet delle cose nell'industria aveva avuto i suoi inizi quando la fabbrica ha iniziato a installare i sensori elettronici collegati e gli attuatori per aiutare a gestire una grande varietà di processi industriali. Misurare la temperatura, la pressione, la velocità di trasporto in tempo reale e fornire queste informazioni ai controllori di processo centralizzati ha portato notevoli miglioramenti nell'efficienza, sicurezza ed affidabilità operativa. La connessione è stato l'elemento primario in queste prime installazioni dell'internet delle cose nell'industria.

Dato che il numero di sensori e controllori è aumentato, anche la quantità di dati è aumentata. Ci sono stati dei significativi vantaggi derivanti dalla conservazione dei dati, in modo tale che le tendenze potrebbero essere svelate. Queste tendenze potrebbero essere utilizzate dai responsabili del sistema per ulteriori processi di regolazione, per avere una migliore efficienza e individuare gli effetti di invecchiamento e usura che potrebbero determinare tempi di inattività non programmati o persino guasti al sistema. Quando il cloud si è sviluppato, ha fornito un meccanismo utile per analizzare e conservare una grande quantità di dati. I responsabili potrebbero utilizzare una complessa analisi dei dati per determinare le tendenze e adottare misure. Spesso queste analisi e i benefici di efficienza forniti sono diventati un aspetto sempre più importante nella gestione del processo industriale e sono stati considerati come proprietà intellettuale che riveste un ruolo centrale delle società produttrici e potrebbero dare persino un significativo vantaggio competitivo. Questo intero scenario è stato supportato da una doppia riduzione del prezzo dei sensori, una rapida riduzione dei costi di stoccaggio negli ultimi anni, nonché fino al 60% di riduzione del costo dell'elaborazione in corso e fino al 40% di riduzione del costo dell'ampiezza di banda nell’ultimo decennio.

La figura sottostante illustra come la fabbrica collegata può essere integrata con il Cloud e l'infrastruttura di rete associata e i protocolli si sovrappongono agli elementi di fabbrica familiari. La figura mostra anche come i dati fluiscono dai sensori e dai sistemi a fusione di sensori sul bordo del sistema attraverso i gateway, l'impresa e nell'archiviazione basata sul cloud e i centri elaborazione dati. I dati fluiscono anche in altre direzioni, in modo tale che gli attuatori possono adottare le misure necessarie per modificare le attività di controllo dei processi. (Si noti che questa struttura viene usata in un esempio di fabbrica, ma un approccio simile può essere usato per qualsiasi altra cosa che va dagli edifici intelligenti, alla rete energetica o fino ad un moderno ospedale).

Altera Programmable Logic Article 0316 Image 1

Figura 1: illustrazione di un esempio sull'implementazione dell'internet delle cose nell'industria per una fabbrica intelligente (immagine di cortesia di Niladri Roy, Altera) 

Il funzionamento autonomo migliora l'efficienza

L'importanza delle analisi intelligenti dei dati che si basano sugli anni, o, in alcuni casi, persino su decenni di esperienza per creare sistemi basati su regole che possono migliorare l'efficienza operativa non può essere sopravvalutata. È qui dove l’esperienza può tornare davvero utile. Sfortunatamente, quando un responsabile delle risorse umane ha esperienza con l'anello chiuso, si sacrificherà la capacità di rispondere rapidamente ad un cambiamento nei dati del sensore. E la quantità di dati generata può essere travolgente per un operatore umano. Quello che è necessario è avere un controllo autonomo, lavorare più rapidamente e con maggiore precisione rispetto a quanto può fare un operatore umano. Forse il concetto di operazione indipendente e di come si possa migliorare notevolmente l'efficienza di IIoT, che si basa sulla fabbrica, viene illustrato al meglio con un esempio. Il monitoraggio degli asset è un concetto familiare e un valido esempio di come l'operazione indipendente possa migliorare l'efficienza.

Monitoraggio degli asset

I sensori possono tenere traccia solo dei vari processi coinvolti nella fabbrica, ma possono anche monitorare le apparecchiature usate nel processo produttivo. L'usura dei macchinari può rappresentare una parte importante del monitoraggio degli asset e un semplice orario on-line o la quantità di materiale lavorato può fornire un primo livello di informazioni.  Tuttavia, sarebbe più utile raccogliere dati sulla qualità del prodotto e reattività ai cambiamenti nei parametri di produzione. Quando i motori o le pompe sono interessate, la misura del calore, delle vibrazioni e anche il flusso elettromagnetico possono fornire dati utili per individuare le tendenze e prevedere l'usura. Quando questi tipi di analisi possono essere più ravvicinate del sensore, probabilmente collocato all'interno del motore o controller di processo, l'acquisizione dei dati combinati viene fatta usando algoritmi per la fusione dei dati provenienti dai sensori, allora si potrà implementare un controllo autonomo dell'asset. In questo tipo di sistema le informazioni sull'usura da fatica possono essere usate per modificare l'algoritmo di controllo per migliorare efficienza operativa senza aver bisogno di un controllo centrale per gestire queste decisioni di basso livello. Quando l'usura diventa più di una preoccupazione, probabilmente quando vengono raggiunti i modi di scatto predefiniti, i controller autonomi possono segnalarlo al controllo centrale per un'azione preventiva.

Persino i controller autonomi forniranno importanti dati di rilevamento al cloud, anche se dovranno essere usati nelle analisi dei big data. Le misurazioni effettuate nell'intera fabbrica o in diverse fabbriche e per un notevole lasso di tempo possono fornire informazioni molto preziose sull'usura e la sua correlazione e previsione di possibili guasti. Queste informazioni potrebbero essere sufficientemente preziose per incoraggiare le parti terze a raccoglierle, analizzarle e poi offrire le raccomandazioni o previsioni per il proprietario della fabbrica. Quando i dati del sensore vengono associati a più fabbriche e a diversi tipi di operazioni, le analisi dei big data possono esaminare un'ingente mole di dati e creare nuovi modelli. Questi modelli potrebbero determinare nuovi punti di scatto o nuovi algoritmi di fusione programmati in controller autonomi per migliorare ulteriormente l'efficienza. Forse queste parti terze raccoglierebbero una percentuale dei risparmi che determinano un miglioramento del logaritmo!

Requisiti crescenti relativi al calcolo e alla connettività

Questo esempio abbastanza semplice, sopra riportato, illustra il potenziale per i sistemi dell'internet delle cose nell'industria più intelligenti e i notevoli miglioramenti nell'efficienza e redditività che si possono avere in una fabbrica intelligente. Il crescente numero di sensori e attuatori richiesti per fornire i big data necessari per implementare efficacemente questi tipi di sistema richiederanno un calcolo e un'infrastruttura di comunicazione più robusta. Un maggiore numero di sensori e attuatori implica un flusso di dati maggiore e una maggiore necessità di comunicazioni ad alta velocità. Ciò significa anche che l'aggregazione dei dati aggiuntivi è necessaria per combinare il traffico di dati a reti ad alte prestazioni e richiede una maggiore elaborazione in corso ed archiviazione. Comunicazioni sicure per il traffico di dati e per proteggere gli aggiornamenti remoti dagli hacker è anch'essa oggetto di preoccupazione crescente. Infine, la crescita dell’utilizzo di sensori senza fili, ripetitori e nodi di aggregazione è un altro motivo di aumento della potenza di calcolo e delle capacità di comunicazione. 

Soluzioni di Altera

Le implementazioni dell'internet delle cose nell'industria richiederanno potenze di calcolo elevate e la larghezza di banda del canale di comunicazione è significativamente maggiore per creare sistemi di comunicazione intelligenti e autonomi necessari per sostenere una fortissima crescita prevista nell'implementazione di sensori e attuatori.  Queste nuove capacità dovranno essere fornite senza incidere sullo spazio limitato del board e sui budget a basso consumo in base alle dimensioni standard associate alle installazioni nelle fabbriche intelligenti. Le soluzioni Altera offrono vantaggi significativi quando è necessario un aumento della potenza di calcolo e un miglioramento della larghezza di banda, ma allo stesso tempo quando si hanno budget limitati sia per lo spazio del board che per la potenza. 

Altera Cyclone V SoC offre prestazioni e una connettività ad alta velocità per gestire il controllo (PLC), HMI, i Gateway e una connessione sicura verso il cloud in un unico dispositivo quando si usano meno di 3W per l'intera scheda del PLC. Poiché Altera SoC FPGAs può implementare degli algoritmi ad alte prestazioni e funzioni HMI nell'hardware usando operazioni parallele per prestazioni più elevate e con budget di potenza ridotta se confrontati con quelli per i processori convenzionali. Altera SoC FPGAs può inoltre integrare i protocolli Ethernet industriali di accesso multiplo e anche interfacce ad alte prestazioni per una connessione dorsale, usando core di proprietà intellettuale (PI) e un sistema su chip con disco rigido (HPS) per eseguire i protocolli standard. La figura 2 mostra di seguito i dettagli di un PLC a chip singolo implementato su un Altera SoC.

Altera Programmable Logic Article 0316 Image 2
 
Figura 2: Altera SoC implementa un LPC a chip singolo

Un FPGA di tipo non volatile della serie MAX 10 di Altera non richiede memoria esterna di configurazione, minimizzando lo spazio del board per adattarsi ad applicazioni con un piccolo modulo I/O. Un ulteriore riduzione dello spazio del board è possibile quando i chip di memoria flash dell’utente possono essere usati per l'archiviazione dei codici o dati registrati e il convertitore analogico-digitale su chip (ADC) possono spesso eliminare la necessità di un dispositivo esterno usato nelle interfacce analogiche industriali più comuni.
Dettagli aggiuntivi sui vantaggi offerti dalla soluzione di Altera si possono trovare nei riferimenti riportati alla fine di questo articolo.

Preoccupiamoci ora dell'implementazione

Arrow offre un'ampia gamma di kit di sviluppo e piattaforme di valutazione di Altera per guidare il processo di implementazione. Visitare la seguente pagina web di Arrow per vedere i kit di Altera offerti da Arrow. 
Conclusione

Il continuo sviluppo delle installazioni dell'internet delle cose nelle fabbriche intelligenti richiederà una connettività intelligente ed indipendente e un controllo, per tenere il passo con il crescente utilizzo dei sensori e attuatori. Le soluzioni di Altera offrono prestazioni computazionali, alta larghezza di banda, bassa potenza e uno spazio esiguo del board che sono necessari per implementare efficacemente questa nuova classe di sistemi di fabbrica non solo programmabili, ma anche intelligenti. 

Riferimenti

Per ulteriori informazioni vedere QUI

Visualizza prodotti correlati

BEMICROMAX10

Arrow Development Tools Kit e schede di sviluppo a logica programmabile Visualizza





Ultime notizie

Sorry, your filter selection returned no results.

Non perderti le ultime novità sull'elettronica

Abbiamo aggiornato la nostra politica sulla privacy. Si prega di prendere un momento per rivedere questi cambiamenti. Cliccando su Accetto, l'utente accetta la Politica sulla privacy e Condizioni di utilizzo di Arrow Electronics.

Il nostro sito web mette i cookies sul vostro dispositivo per migliorare la vostra esperienza e il nostro sito. Leggete altre informazioni sui cookies che usiamo e su come disabilitarli qui. I cookies e le tecnologie di tracking possono essere usati per scopi commerciali.

Con un click su “Accept”, voi consentite l'inserimento dei cookies sul vostro dispositivo e l'uso da parte nostra di tecnologie di tracking. Per avere altre informazioni e istruzioni su come disabilitare i cookies e le tecnologie di tracking, clickate su “Read More” qui sotto. Mentre l'accettazione dei cookies e delle tecnologie di tracking è volontaria, una loro disabilitazione potrebbe determinare un funzionamento non corretto del sito web, ed alcuni messaggi di allarme potrebbero essere per voi meno importanti.

Noi rispettiamo la vostra privacy. Leggete qui la nostra politica relativa alla privacy