Per affrontare la sfida dell’innovazione e trasformarla in reale opportunità di crescita, per le imprese è importante trovare supporto nel mondo della ricerca. A sua volta, il mondo accademico è chiamato a mettere idee, progettualità, conoscenza e strumenti a disposizione della transizione digitale delle aziende. Da questo punto di vista, le imprese toscane e non solo possono trovare nei laboratori CrossLab una realtà in grado di unire teoria e pratica per supportarle nel proiettarsi verso i nuovi paradigmi industriali.
«I CrossLab sono cinque laboratori interdisciplinari e integrati che coprono tutte le aree chiave di Industria 4.0, gestiti dal Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Pisa», raccontano Rosario Garroppo e Daniele Rossi, coordinatori del Lab Industrial Internet of Things. «I laboratori sono aperti alle imprese per supportarle nei loro processi di innovazione attraverso diverse forme di collaborazione, mettendo anche a disposizione dispositivi frutto della ricerca più avanzata. I CrossLab costituiscono, soprattutto per il tessuto di piccole medie imprese toscane, una occasione unica per avere accesso agli strumenti e alla conoscenza necessarie per intraprendere la strada della nuova rivoluzione industriale».
In qualità di luoghi dove si incontrano ricerca e impresa, il Lab Industrial Internet of Things ha il compito di confrontarsi da vicino con i temi della connettività industriale. «La digitalizzazione dei processi industriali richiede di equipaggiare le macchine, o gli impianti, con dispositivi - sensori, attuatori, trasmettitori/ricevitori e microcontrollori - connessi alla rete, realizzando un cosiddetto sistema cyber-fisico, dove la realtà (la macchina, l’impianto) viene rappresentata ed analizzata mediante un modello digitale», spiegano Garroppo e Rossi. «In questo scenario, gli ambiti di ricerca del CrossLab Industrial IoT sono molto vasti: realizzazione di circuiti e sistemi elettronici in grado di operare a frequenze nell’ambito del mm-wave; sviluppo di protocolli di rete sicuri e affidabili per lo scambio di informazioni real-time tra le entità delle rete; realizzazione di algoritmi ad hoc per l’analisi della gran quantità di dati disponibili, applicando tecniche di machine learning, deep learning e, più recentemente, AI; sviluppo di modelli digitali completi della macchina - i digital twins -, che possono semplificare molto le fasi di collaudo e test di nuovi sistemi».
Il filo del cambiamento
Dalle parole di Garroppo e Rossi emerge il ritratto di un’evoluzione tecnologica corposa, che non può non porre nuove sfide nell’ambito della connettività industriale wired. «I nuovi scenari mirano ad una convergenza delle tecnologie dell’informazione (IT) con quelle operative (OT), tendenza supportata dall’evoluzione del mercato negli ultimi anni, che ha visto una crescita di soluzioni Industrial Ethernet, che permettono l'integrazione di OT e IT in una singola infrastruttura. Un ulteriore passo in questa direzione è rappresentato dalla definizione degli standard per il Time Sensitive Networking (TSN). L’obiettivo di TSN», proseguono Garroppo e Rossi, «è quello di permettere ad Ethernet di soddisfare i requisiti di robustezza e di affidabilità richiesti nell’ambito industriale, superando il problema dell’eterogeneità di soluzioni fornite da Industrial Ethernet. Con l’uso di TSN si elimina la necessità di una separazione fisica tra reti per il supporto di funzioni critiche e non critiche, semplificando in questo modo lo scambio di dati fra la parte IT e OT, concetto alla base dell’Industrial IoT».
Passando dalla teoria alla pratica, è legittimo chiedersi se i nuovi scenari wired siano alla portata sia delle grandi imprese manifatturiere sia delle pmi. «In generale, osserviamo che le grandi manifatturiere hanno degli addetti alla gestione delle infrastrutture di connessione che sono attenti a seguire le novità tecnologiche», rispondono Garroppo e Rossi. «Rimangono i problemi della valutazione della fruttuosità degli investimenti necessari per passare alle nuove tecnologie e della formazione del personale per il loro corretto utilizzo. Il cambiamento in genere è graduale. Si cerca di riutilizzare parte dell'esistente, integrando il nuovo nelle parti in cui si ritiene conveniente aggiornare. Assistiamo, infatti, allo sviluppo di prodotti che supportano la nuova tecnologia, ma che sono capaci di fornire le funzioni di adattamento per integrare tecnologie di successo del passato».
Appare diverso il tenore delle sfide quando la riflessione tocca da vicino il tessuto delle imprese medio-piccole. «Nel caso delle pmi, in generale constatiamo un problema di comunicazione dei vantaggi delle nuove soluzioni», osservano Garroppo e Rossi. «Le diverse associazioni di categoria rivestono un ruolo fondamentale per l'organizzazione di eventi mirati alla formazione degli addetti e alla comunicazione delle nuove soluzioni tecnologiche, e realtà come i CrossLab possono fornire assistenza e formazione alle pmi, oltre che accesso a tecnologie altrimenti per loro fuori portata».
Nel concreto il Lab Industrial Internet of Things è impegnato nei nuovi scenari della connettività industriale wired in molteplici modi e direzioni. «Le attività del CrossLab IIOT sono volte a trovare soluzioni innovative per i nuovi scenari industriali, sfruttando l’interdisciplinarietà e le competenze eterogenee dei ricercatori coinvolti: robotica, elettronica, telecomunicazioni, informatica, elettromagnetismo applicato», evidenziano Garroppo e Rossi. «Progettiamo percorsi formativi per le aziende per l’utilizzo delle nuove tecnologie wired, usando gli strumenti e le tecnologie del CrossLab. Organizziamo eventi volti a mostrare alle aziende possibili vantaggi che possono derivare da un aggiornamento tecnologico della loro infrastruttura di connettività. In questi eventi, per superare la diffidenza degli operatori, abbiamo presentato dei casi di successo, invitando alla presentazione dei risultati direttamente le aziende che utilizzando bandi regionali, nazionali ed europei hanno avuto l’opportunità di sperimentare le nuove tecnologie».
Destinazione smart factory
L’altra metà del cielo della connettività industriale è rappresentata dalla tecnologia wireless, nell’immaginario portatrice di scenari particolarmente innovativi e, per certi aspetti proprio per questo motivo, ancora più bisognosi di approfondimento. «Negli ultimi anni abbiamo osservato una crescita lenta delle tecnologie wireless negli scenari industriali, inferiore a quella osservata per le nuove tecnologie wired», segnalano Garroppo e Rossi. «Il motivo principale è legato alla criticità di alcuni scenari industriali, che non permettono alle tecnologie wireless di garantire le stesse prestazioni di affidabilità dei sistemi wired, soprattutto per applicazioni di automazione industriale. Nei settori della logistica, monitoraggio, metering, tracciamento e identificazione di oggetti, invece, le nuove tecnologie wireless rappresentano un notevole valore aggiunto, per esempio le tecnologie RFID, LoRaWAN e NB-IoT per la gestione automatizzata del magazzino, il tracciamento ed identificazione di oggetti dell'asset dell'azienda, la raccolta di dati sensoristici su vaste aree per l'ottimizzazione di processi e la gestione di alcune risorse importanti come l’acqua e l’energia».
Per agevolare l’evoluzione dello scenario industriale wireless, il mondo della ricerca sta seguendo metodicamente alcuni indirizzi precisi. «Il mondo della ricerca persegue due obiettivi principali per definire soluzioni che supportino TSN con tecnologie wireless, come WiFi o 5G», affermano Garroppo e Rossi. «Il primo è quello di sviluppare nuovi sistemi di comunicazione wireless specificamente pensati per ambienti industriali. Questi nuovi sistemi devono essere "robusti" rispetto ai problemi di interferenze e di propagazione del segnale radio che abbiamo in ambito industriale. Il secondo è quello di definire nuove soluzioni di controllo del traffico dati, per avere infrastrutture di reti wireless capaci di soddisfare gli stringenti vincoli di prestazione imposti da alcune applicazioni di automazione industriale. Lo scopo finale è quello di rendere le fabbriche più intelligenti (smart factory), aumentando la loro adattabilità ed efficienza nella gestione delle risorse, ottimizzando la produzione, sostenendo il processo di controllo della qualità. La maggiore capacità di trasmissione offerta dal 5G è un fattore abilitante per l’utilizzo di Big Data e Data Analytics in ambito industriale».
A tal proposito il 5G sta creando grandi aspettative nel mondo industriale, con la promessa di rappresentare una tecnologia del tutto nuova rispetto alle precedenti di connettività mobile. «La presenza di una rete 5G ad elevata capacità, veloce ed affidabile, adiuvata dall'installazione di sensori/attuatori e microcontrollori connessi, consente l’invio di una gran mole di dati che vengono continuamente elaborati da sistemi collegati alla rete, permettendo quindi di monitorare i processi logistici e di produzione, evitando gli errori e favorendo aumento della produttività e riduzione dei costi», ricordano Garroppo e Rossi. «Inoltre, i sensori che equipaggiano gli strumenti, inviando costantemente informazioni sullo stato e le prestazioni delle attrezzature, consentono di avere una chiara visione dello stato delle apparecchiature e di rilevare immediatamente deviazioni rispetto al funzionamento “normale”, consentendo manutenzione predittiva e anticipazione dei guasti. Infine, sempre più aziende potranno decidere di robotizzare il magazzino sfruttando le caratteristiche del 5G ed implementando sistemi di stoccaggio o trasporto automatici, i robot mobili collaborativi o i veicoli a guida automatica/autonoma».
L’automotive del futuro
Oggi sono diversi i settori manifatturieri che si stanno mostrando particolarmente attivi e pronti ad accogliere i nuovi scenari wired e wireless. «Molti settori potranno beneficiare dei nuovi scenari di comunicazione», confermano Garroppo e Rossi. «Tra questi, uno dei più interessati a queste tecnologie è quello dell’automotive. Monitorando il comportamento del veicolo attraverso centinaia di sensori e trasferendo i dati al cloud, si può beneficiare di servizi relativi all’analisi dello stato di salute del veicolo, oppure all’indicazione dei tragitti migliori da percorrere, ad esempio quelli meno congestionati, risparmiando così tempo e denaro, riducendo l’inquinamento da combustibili fossili, almeno fin quando i veicoli con motori a combustione interna potranno essere utilizzati, e migliorando sicuramente la qualità della vita. Inoltre, la connettività delle auto con il cloud e tra i veicoli stessi (connessione V2X) rappresenta una tecnologia abilitante imprescindibile per sostenere l’evoluzione verso veicoli a guida autonoma».
In tutto questo, il Lab Industrial Internet of Things continuerà ad assicurare il proprio contributo nel disegno dei nuovi scenari applicativi, con l’obiettivo di ampliare il proprio sguardo a ogni opportunità e più settori industriali. «Nel breve/medio termine il laboratorio continuerà ad essere impegnato nello sviluppo di tecnologie abilitanti per l’Industrial IoT, con particolare focus sulle tecnologie per la comunicazione nel range delle onde millimetriche, e per infrastrutture di rete robuste, adatte ad ambienti ostili e tali da garantire qualità del servizio e operatività in tempo reale, oltreché a supportare lo sviluppo di applicazioni per veicoli a guida autonoma, connessi e a propulsione elettrica; la gestione intelligente dell’energia e delle sue reti (smart grid); l'innovazione in agricoltura e industria alimentare (smart agrifood); la medicina 4.0», concludono Garroppo e Rossi.
