Il futuro prossimo dell’Automazione Industriale basata sull’IoT e il microcontrollore Arduino

In ambiente industriale i PLC sono normalmente utilizzati per l'automazione delle macchine. I PLC sono lo standard industriale per diversi motivi: sono robusti e costruiti per ambienti industriali difficili. I PLC vengono forniti con certificazioni industriali e una lunga storia di utilizzo comprovato. Hanno una grande resistenza alle fluttuazioni di potenza e alle linee di trasmissione interferenti; sono affidabili anche su macchine in cui potrebbero verificarsi lesioni a causa di guasti del sistema. Alcuni macchinari, tuttavia, possono essere controllati con altri metodi in applicazioni in cui la necessità di un sistema di controllo efficiente è importante ma il costo può essere un problema e il rischio di interruzioni della produzione a causa di guasti delle macchine è minimo o nullo. In questo articolo discuteremo di Arduino come opzione alternativa praticabile all’utilizzo dei PLC e del ruolo dell’IoT nell'automazione industriale.

Introduzione

L'Industrial Internet of Things (IIoT) è il metodo ideale per interfacciare hardware e sensori sul web. L’IIoT consente di utilizzare i dati per elaborare le informazioni ottenute in modo efficiente. Connesse all'IoT, le applicazioni tipicamente supportano l'acquisizione dei dati, l'aggregazione, l’analisi e la visualizzazione. In precedenza, le innovazioni tecnologiche come il Bluetooth e i sistemi RF (Radio Frequency) in generale, sono state utilizzate per controllare l’hardware, ma le applicazioni erano tuttavia limitate. La risposta moderna a queste tecnologie di corto respiro è l’IIoT. L'IoT industriale ha ricevuto molta attenzione dalla ricerca, dalle comunità di reti e sistemi embedded, che hanno prodotto alcune delle soluzioni convincenti che sono alla base delle implementazioni odierne. Tuttavia, l'ampliamento della sua adozione richiede ulteriori contributi di ricerca che coinvolgano l'esperienza della comunità dei sistemi distribuiti. L'adozione di una prospettiva di sistemi distribuiti è piuttosto naturale considerando ciò che è l'IoT industriale.

Più specificamente, un sistema IoT industriale è una raccolta di elementi informatici interconnessi e in gran parte indipendenti che monitorano o controllano alcune risorse fisiche in un modo che appare agli utenti del sistema come un'operazione di una singola struttura che realizza un determinato processo aziendale. In altre parole, i sistemi IoT industriali si adattano perfettamente alle definizioni classiche di sistemi distribuiti. Tra gli altri, questa definizione sottolinea due aspetti. In primo luogo, coinvolge componenti che sono interconnessi, sebbene in gran parte autonomi. In secondo luogo, richiede che queste componenti appaiano al mondo esterno come un unico sistema coerente. Questa combinazione implica che i componenti autonomi debbano collaborare in un modo o nell'altro. I principi e i paradigmi secondo i quali può essere stabilita una tale collaborazione, sono alla base dei sistemi distribuiti.

Inoltre, un simile approccio alla collaborazione tra componenti, che enfatizza l'IoT industriale, completa gli approcci adottati dalle comunità di reti e sistemi embedded. La comunità di rete si concentra tipicamente sui metodi di interconnessione dei componenti in modo da consentire una comunicazione efficiente e affidabile. La comunità dei sistemi embedded, a sua volta, si occupa dei componenti stessi e delle loro interfacce con gli oggetti fisici e l'ambiente circostante. Sebbene questi interessi si sovrappongano spesso con quelli della comunità dei sistemi distribuiti, differiscono, e quindi considerare le soluzioni IoT industriali come sistemi distribuiti con tutte le loro sfide classiche, ha il potenziale per aggiungere valore.

L’IoT sfida le richieste dell'automazione industriale

L'IoT di consumo e l'IoT industriale hanno somiglianze in molti sensi, sebbene vi siano differenze chiave che si riflettono in requisiti specifici in tempo reale e deterministici delle applicazioni IoT industriali, nonché la gravità delle conseguenze se si verifica un guasto laddove si richiede un funzionamento impeccabile per l'enorme capitale investito. Nella sicurezza dei dati e dei servizi, le applicazioni dell'IoT sono progressivamente prive di difese contro i disturbi derivanti da aggressioni o rapine di dati per il fatto di avere più framework e processi associati, il che richiede un passaggio più decentralizzato. Riguardo all’affidabilità, integrità dei dati e riservatezza delle informazioni, i dispositivi interconnessi e i client del framework necessitano della certezza che i dati dei sistemi di amministrazione oggetto di scambio, possano essere affidabili, pertanto, i meccanismi coinvolti devono essere in grado di trattare con gli esseri umani e le macchine per garantire un accesso affidabile ai dati e un'adeguata autorizzazione del servizio.

Scalabilità, denominazione e indirizzamento: l'adattabilità dell'indirizzo del dispositivo del sistema attuale deve essere fattibile; comunicazione dati e networking: l'associazione di nuovi sistemi e dispositivi non deve mettere in pericolo l'esecuzione dei sistemi e la trasmissione di informazioni esistenti, indipendentemente dallo stato anormale di interconnessione tra un vasto numero di dispositivi e parti del framework. L'interoperabilità nell'industria è dominata da interfacce e soluzioni proprietarie. La quantità di dispositivi e componenti di sistema di diversi fornitori e domini differenti, pone sfide in termini di piattaforme multiple, numerosi protocolli e un gran numero di API. L'immenso assortimento di dispositivi, applicazioni ed esecuzioni all'interno dell'IoT, si tradurrà in una disposizione delle informazioni estremamente eterogenea nell'organizzazione e comprensione delle informazioni, della qualità, della ricorrenza e tempistica dell’informazione.

Arduino vs PLC - La sfida per il controllo industriale

Le peculiarità dei PLC

I PLC (Programmable Logic Controller) sono computer industriali utilizzati per controllare diversi processi elettromeccanici nella produzione, negli impianti o in altri ambienti di automazione. Variano in dimensioni e fattori di forma. Alcuni sono abbastanza piccoli da stare in tasca, mentre altri sono abbastanza grandi e pesanti da richiederne il montaggio su rack. Alcuni PLC possono essere personalizzati in moduli funzionali per adattarli a diversi tipi di applicazioni industriali. I PLC sono ampiamente utilizzati in una varietà di settori perché sono veloci, facili da utilizzare e da programmare. Inoltre, possono essere programmati in diversi modi, dalla logica ladder, che si basa su relè elettromeccanici, ai linguaggi di programmazione appositamente adattati come il BASIC e C, per citarne alcuni. I sistemi SCADA e HMI consentono agli utenti di visualizzare i dati provenienti dal reparto di produzione e forniscono un'interfaccia agli utenti per gli input di controllo.

Arduino sostitutivo del PLC?

Il mondo "maker" dei costruttori di robot continua a crescere con aziende che sviluppano hardware e software per supportare ogni tipo di applicazione interessante. Sono emersi numerosi microcontrollori per eseguire un'ampia varietà di funzioni a costi hardware e software iniziali molto bassi. È emerso un gran numero di schede, inclusi microcontrollori, array di porte programmabili sul campo (FPGA) e computer a scheda singola. Tra questi, Arduino e Raspberry Pi sono due nomi di spicco. Entrambi sono dispositivi open source, con componenti disponibili da una varietà di fornitori, ed entrambi richiedono un alto livello di programmazione per poter essere utilizzati nelle applicazioni di controllo industriale in tempo reale. Alcune aziende industriali potrebbero utilizzare queste piattaforme come elementi sostitutivi entry-level dei PLC. [...]

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