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Il 5G nel manufacturing: uno sguardo alle applicazioni reali e agli impatti futuri

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  • n.2 - Maggio 2022
  • n.1 - Marzo 2022
  • n.4 - Novembre 2021

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S. M.

Il 5G, la quinta generazione delle reti mobili cellulari, introduce una netta discontinuità rispetto alle infrastrutture precedenti. Anche nel manufacturing. La sua introduzione permetterà non solo il miglioramento dei servizi già esistenti, ma anche l’erogazione di servizi innovativi

Pilastro dell’Industria 4.0, e non solo, stando alle stime della Commissione Europea, il 5G genererà circa 377mila nuovi posti di lavoro nel periodo compreso tra 2020 e 2025, soprattutto nei settori del manufacturing, dei servizi e del retail. Lo stesso PNRR (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza) conferisce grande importanza a tecnologie e reti digitali a larghissima banda. Nel Piano, il 5G è riconosciuto come un potente abilitatore della digitalizzazione e della competitività delle imprese nello sviluppo del Paese.

Secondo il rapporto diffuso dal Centro Studi Tim, il contributo del 5G al Pil italiano raggiungerà i 393 miliardi di euro entro il 2040. I servizi per le persone nei prossimi 20 anni genereranno 160 miliardi di euro, quelli legati all’Internet of Things (IoT) raggiungeranno i 233 miliardi di euro.

L’impatto sarà sui settori economici nei più svariati ambiti industriali e verticali. Tra i più ricettivi ci sono la sanità, il settore manifatturiero, l’ambiente, l’automotive, le smart city, la logistica e l’energia.

La portata innovativa delle reti 5G, in cinque ambiti

Cinque sono gli ambiti nei quali si rilevano le sostanziali innovazioni portate dal 5G. Il primo riguarda l’Enhanced Mobile Broadband (eMbb): con il 5G abbiamo un aumento di velocità di trasmissione dati fino a 20 volte rispetto alle soluzioni precedenti e possiamo raggiungere i 10 GB/s.

Il secondo ambito è relativo al Massive Machine Type Communication (mMtc): abbiamo un aumento del numero di dispositivi connessi per chilometro quadrato fino a 10 volte maggiore rispetto al numero attuale. Il 5G può infatti connettere fino a 1 milione di dispositivi per chilometro quadrato.

Terzo, l’Ultra Reliable Low Latency Communications (Urllc): il 5G porta a una riduzione fino a 25 volte dei tempi di latenza, che sono contenuti a 1-2 millisecondi.

Quarto, lo Slicing dà la possibilità di creare più reti virtuali sulla stessa infrastruttura fisica, sfruttando le tecniche di virtualizzazione, così da offrire, agli utenti che lo richiedono, risorse e servizi dedicati e garantiti.

Infine, il Mobile Edge Cloud porta l’integrazione strutturata dell’Edge Computing nella rete, che smette di essere solo “un tubo di trasporto di bit” per diventare invece anche una piattaforma di calcolo per le applicazioni e i servizi degli utenti. Il posizionamento fisico dei server che forniscono queste capacità di calcolo è flessibile. Il caso più interessante è proprio quello del posizionamento all’Edge, in modo da tenere bassa la latenza. Gartner (“Top 10 Trends Impacting Infrastructure and Operations for 2020”, dicembre 2019) stima che più del 50% dei dati delle imprese entro il 2022 sarà processato all’Edge.

L’insieme di queste funzionalità consentirà, in un futuro abbastanza vicino (dell’ordine dei prossimi due o tre anni), lo sviluppo di nuove applicazioni in molti contesti anche assai diversi, che vanno dalla manutenzione predittiva al monitoraggio di infrastrutture critiche, dalla sicurezza del personale in luoghi affollati alla telemedicina, dall’impiego della realtà aumentata per tour turistici virtuali all’utilizzo dei droni e, in generale, alla guida autonoma.

Alcune implementazioni 5G sul territorio nazionale

Per quanto riguarda le esperienze reali sul territorio, va segnalata la prima smart factory italiana connessa attraverso il 5G, inaugurata a Verona, lo scorso luglio. Il progetto ha coinvolto Exor International, società che produce piattaforme digitali per il settore industriale, e Tim, che ha realizzato l’infrastruttura di rete, assicurando bassissima latenza e massimo livello di sicurezza e affidabilità.

A bordo del progetto c’è anche Intel, che ha messo a disposizione le sue tecnologie di intelligenza artificiale, compreso un laboratorio 5G all’interno dello stabilimento. Il lab consente alle aziende manifatturiere clienti di testare le applicazioni nell’ambito di una rete privata e di integrarle con le soluzioni esistenti.

In particolare, sarà possibile sperimentare l’efficacia del 5G nel favorire la comunicazione di robot industriali connessi tra loro e nelle soluzioni di Industrial IoT Edge. Tra le prime applicazioni in programma, Exor ha in agenda un progetto pilota per la realizzazione di una macchina di ispezione visiva della qualità.

Sempre nel luglio 2021, Vodafone e H-Farm hanno portato nel 5G l’H-Farm Campus di Roncade, in provincia di Venezia, il più grande polo di innovazione in Europa.

Alla fine di ottobre 2021 è stata accesa invece all’interno di Bi-Rex, il Competence Center ad alta specializzazione per l’Industria 4.0 di Bologna, la rete privata virtuale 5G di Tim. Questa rete abiliterà una connessione stabile, a bassa latenza e a elevata ampiezza di banda, per la linea pilota focalizzata sulle aree di sviluppo Big Data, Additive Manufacturing, Robotica, finitura e metrologia.

Questa linea pilota è un punto di riferimento già attivo (in logica “test before invest”) per aziende, centri di ricerca e pmi di tutta Italia, impegnati nella trasformazione digitale. Nella linea, Tim ha reso disponibile anche una piattaforma di comunicazione professionale push-to-talk per garantire una maggior sicurezza al personale in movimento tramite geolocalizzazione e rilevazione di eventuali irregolarità nella postura (funzionalità di “uomo a terra”).

La linea, inoltre, potrà abilitare in futuro attività di manutenzione tempestiva da remoto, grazie al monitoraggio costante degli indicatori di funzionamento e di allarme degli impianti connessi, in modo da minimizzare tempi e costi di fermo macchina.

Infine, grazie al 5G è possibile anche l’utilizzo nella linea pilota Bi-Rex di un sistema di robotica mobile con compiti di assemblaggio, asservimento macchine e logistica. Il sistema utilizza robot Amr (Autonomous Mobile Robot) per il trasporto di materiali, bracci robotici per operazioni meccaniche e un robot collaborativo (Mobot Al 10), dotato di telecamera. Quest’ultimo, grazie ad algoritmi di intelligenza artificiale, consente di automatizzare i processi produttivi e viene impiegato nel controllo qualità del prodotto finale.

Grazie al 5G verso lo smart manufacturing

Il 5G gioca un ruolo chiave per accelerare la trasformazione digitale nel settore manifatturiero, poiché le sue caratteristiche tecniche nascono anche in base alle esigenze dirette di questo business.

I risultati di un recente studio mostrano che il settore manifatturiero sarà uno dei più interessati dalla rivoluzione 5G, con 605 miliardi di dollari di entrate stimate sbloccate in un orizzonte temporale compreso tra 6 e 18 mesi (Capgemini Research Institute, “5G in industrial operations: How telcos and industrial companies stand to benefit”, 29 maggio 2019).

L’IoT, in particolare, permette la comunicazione fra tutti i dispositivi connessi in tutte le aree di una fabbrica, dall’officina al magazzino e alla catena di montaggio, consentendo il controllo dei processi in tempo reale.

Se Massive IoT e Broadband IoT sono già supportati dalle reti 4G, il 5G potrà abilitare anche Critical IoT, destinato ad applicazioni in tempo reale, consentendo ai produttori di ottenere la massima velocità di trasmissione dati con una latenza estremamente bassa. Pertanto, il 5G può supportare tutti i tipi di dispositivi IoT sulla stessa rete, pur rispettando le diverse peculiarità di ciascun tipo di device.

L’intelligenza artificiale consentirà poi di sfruttare l’enorme quantità di dati raccolti dalle Operations e utilizzarli per la manutenzione e il monitoraggio predittivo, mentre la realtà aumentata fornirà ai tecnici approfondimenti chiave e strumenti di formazione visiva.

Si stima che entro il 2030, il 70% della crescita del Pil mondiale sarà legato alla “machine economy”, con il predominio di intelligenza artificiale, automazione, machine learning e computazione autonoma (fonte: Kevin Dallas, “A critical piece of the machine economy”. The People, Forbes, maggio 2021).

L’intelligenza artificiale è infatti una caratteristica chiave di Industria 4.0, ma, per funzionare in modo efficiente, richiede l’accesso in tempo quasi reale (near real-time) a grandi quantità di dati. La velocità di trasmissione elevata e la numerosità di connessioni supportate dal 5G, combinate con la potenza di elaborazione dell’Edge Computing, permetteranno di progettare sistemi produttivi di nuova generazione, in grado di adattarsi rapidamente al variare delle condizioni di capacità produttiva, domanda o altri parametri.

Utilizzando le attuali reti IT aziendali come Wi-Fi e Lan cablata, non si possono attuare con efficacia alcune funzionalità come connettere un robot – qualunque sia la sua posizione – all’interno della linea di produzione, oppure riconfigurarlo in tempo reale e consentire al robot stesso di adattare e modificare le sue operazioni integrando dati che provengono dall’intera linea di produzione. Tanto più che le risorse di calcolo necessarie per supportare l’analisi software visiva e sensoriale, in tempo reale, che guida i robot, richiedono performance adeguate in termini di affidabilità, velocità di trasmissione ed elaborazione.

Il caso d’uso dei collaborative robot è solo uno dei tanti che mettono in evidenza i limiti delle tecnologie wireless di prima generazione, come il Wi-Fi, che continuerà comunque a dominare il mercato della connettività indoor, dove non è richiesta una comunicazione ultra-affidabile. Ciò include applicazioni residenziali e alcune applicazioni industriali. Il Wi-Fi nelle ultime release ha comunque apportato significativi miglioramenti in termini di maggiore capacità, minore latenza e maggiore affidabilità, ma gli svantaggi rimanenti includono copertura e sicurezza limitate nonché limitato supporto della mobilità, fattori questi che ne restringono significativamente l’uso in ambito industriale.

Le reti wireless private 5G indirizzano esattamente invece queste problematiche del tessuto industriale produttivo. Esse costituiscono infatti un elemento critico per abilitare l’evoluzione dei processi industriali in termini di automazione e digitalizzazione e sono in grado di offrire alcuni elementi vantaggiosi:

• sicurezza intrinseca: nessuna rete 4G/5G è mai stata compromessa;
• affidabilità mission-critical: per operazioni continue;
• copertura ampia e pervasiva;
• prestazioni prevedibili: per l’automazione industriale ed il coordinamento delle risorse;
• alta capacità: adatta a gestire facilmente la rapida crescita di dispositivi, sensori e dati generati;
• maggiore controllo operativo e flessibilità: per migliorare la sicurezza e rispondere rapidamente al variare delle esigenze aziendali;
• mobilità by design, ovvero costruita su standard mobili 3Gpp affidabili.

Un ulteriore esempio in area manutenzione impianti industriali

Consideriamo il caso di un’azienda che intenda implementare una soluzione di remote monitoring per semplificare la manutenzione e l’operatività degli impianti. In questo scenario, il funzionamento della piattaforma gemella digitale (Digital Twin) richiede l’interscambio di dati in tempo reale, che sarà estremamente facilitato da una rete 5G.

Questa si rivela cruciale anche per trasmettere video in real-time 4K dalla linea di produzione a dispositivi di realtà aumentata, consentendo a tecnici esperti di esaminare componenti o apparecchiature difettose. Le reti cablate non possono infatti supportare lo streaming in tempo reale di video di alta qualità in posizioni remote e il 4G non è affidabile per l’uso all’interno dello stabilimento. Il 5G, invece, risolve entrambi i problemi in quanto garantisce uno streaming a bassa latenza e la sua capacità di rete può essere aumentata per gestire casi d’uso ad alta intensità di dati.

Esempi applicativi come questo sbloccheranno un enorme valore e tante opportunità per il settore manifatturiero. Secondo il già citato Centro Studi Tim, la manifattura italiana, con l’avvento del 5G, a partire dal 2025 potrebbe godere di una crescita di 2,5 miliardi di euro all’anno, ottenendo un incremento della produttività pari all’1% l’anno. Ancora, secondo gli analisti di Abi Research entro il 2028 il manufacturing rappresenterà quasi il 25% delle entrate totali generate nel mercato dei casi di utilizzo del 5G Ultra Low Latency (Urllc). La capacità di creare una vasta rete di sensori wireless o di implementare applicazioni di realtà aumentata e virtuale per il monitoraggio predittivo fa infatti della connettività 5G un potenziamento tecnologico imprescindibile per la crescita del settore.

Infine, uno dei principali timori legati alle tecnologie del paradigma Industria 4.0 è legato alla vulnerabilità della rete in termini di sicurezza, ma l’introduzione del 5G, e in particolare delle funzionalità di Slicing che permette a fornitori e clienti di essere integrati in un’unica piattaforma di rete, fornirà invece un livello di sicurezza dei dati decisamente superiore a quello delle infrastrutture esistenti.

Il 5G si presenta dunque foriero di una notevole evoluzione tecnologica e di business, ma occorrono senz’altro investimenti adeguati e un ampliamento delle competenze di tutti gli attori (sia sui domini applicativi verticali che sulle tecnologie).

Serve anche un nuovo modello di supply chain “estesa” che veda la collaborazione fra i tradizionali attori della filiera Tlc con attori di altre filiere (gestori di piattaforme IoT, cybersecurity provider, Cloud provider, operatori Fwa, gestori del software Ran). Così, in caso di applicazioni complesse, uno degli attori può assumere il ruolo di orchestratore.

Solo in questo modo sarà possibile beneficiare degli intrinseci vantaggi della nuova tecnologia, quali una connessione più efficiente, la possibilità di gestire sempre maggiori volumi di dati, di accelerare l’analisi di essi e quindi di ottenere una significativa semplificazione della gestione industriale nel suo complesso.

Edge Computing e 5G, una combinazione vincente per il manufacturing

Secondo l’IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), entro il 2025 il 20% di tutti i dati prodotti verrà analizzato in tempo reale e la combinazione di 5G ed Edge Computing permetterà di aumentare la velocità di elaborazione, sfruttando la cache locale di dispositivi come i sensori IoT.

Non solo, sarà anche possibile condividere risorse computazionali fra più dispositivi, migliorare l’efficienza energetica delle reti e dei dispositivi, favorire una allocazione ottimale, dinamica e automatizzata, dei carichi di lavoro e del traffico.

Inoltre, la combinazione di Edge Computing e 5G aumenta la resilienza e la sicurezza delle reti, garantendo un’allocazione ottimale dei carichi di lavoro. In un futuro non molto lontano, quindi, si potranno infatti adattare i modelli di traffico alle esigenze del momento in modo automatizzato e dinamico, migliorando le prestazioni a livello di latenza, affidabilità, prioritizzazione e larghezza di banda.

Il 5G nel manufacturing: uno sguardo alle applicazioni reali e agli impatti futuri - Ultima modifica: 2021-12-16T10:34:38+01:00 da Valeria Villani
Il 5G nel manufacturing: uno sguardo alle applicazioni reali e agli impatti futuri - Ultima modifica: 2021-12-16T10:34:38+01:00 da Valeria Villani

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