Storicamente, i sistemi di controllo e automazione industriale erano ampiamente isolati dalle reti digitali convenzionali, come negli ambienti aziendali. L'adozione e l'implementazione delle tecnologie "Internet of Things" (IoT) sta apportando modifiche architetturali a questi sistemi di automazione industriale, compresa una maggiore connettività. Con questo articolo si intende descrivere il significato dell’IoT industriale (IIoT) e le relazioni con concetti quali sistemi cyber-fisici e Industria 4.0, caratterizzare i dispositivi IIoT, le architetture di sistema e le sfide sulla sicurezza e vulnerabilità dei sistemi IIoT.
Introduzione
Il concetto di automazione industriale e sistemi di controllo è ben consolidato. Questi sistemi, spesso indicati come tecnologie operative, sono impiegati in diversi settori tra cui la produzione, trasporti e servizi pubblici e, a volte, vengono indicati come sistemi cyber-fisici. Dal momento che il termine Internet of Things (IoT) è stato utilizzato per la prima volta un ventennio fa, è stato applicato ai dispositivi collegati in ambienti di consumo, domestici, aziendali e industriali. Sebbene ci sia una quantità significativa di letteratura che tenta di definire l'IoT, il suo utilizzo e le sue componenti tipiche, raramente viene reso evidente come uno qualsiasi di questi aspetti sia un valore aggiunto nell'ambiente industriale.
Poiché le attuali definizioni di IoT vengono intese invariabilmente come un approccio simile all'architettura di un sistema di alto livello, l'uso onnipresente del termine IoT per riferirsi alle tecnologie digitali nell'industria, è ritenuto inutile in quanto vi è convinzione diffusa che ostacoli l'analisi di architetture di sistema alternative o il consolidamento evoluto dei sistemi tradizionali, compresa la natura e il trattamento dei dati o delle informazioni, e relativi problemi di prestazioni e sicurezza. L'obiettivo di questo articolo è tentare di migliorare le definizioni di IoT industriale (IIoT) e proporre un approccio ai dispositivi IIoT come base per analizzare l’uso e l’implementazione delle tecnologie IoT in contesti industriali.
Industria 4.0
Le prime rivoluzioni industriali sono caratterizzate dalla produzione meccanica basata su acqua e vapore, l’uso di manodopera di massa ed energia elettrica e di elettronica nella produzione automatizzata, mentre la rivoluzione industriale, l’Industria 4.0, è stata proposta per la prima volta nel 2011 nel contesto dell'obiettivo di sviluppo dell'economia europea. Questa rivoluzione si caratterizza per la sua dipendenza dall'uso di sistemi cyber-fisici in grado di comunicare tra loro e di rendersi autonomi, con l'obiettivo di aumentare l'efficienza industriale, produttività, sicurezza e trasparenza. C'è una notevole sovrapposizione tra il concetto di Industria 4.0 e il concetto di Internet Industriale. La definizione di Internet Industriale ora comprende il cambiamento sia per le imprese che per gli individui: l'Internet Industriale è un Internet di Cose, macchine, computer e persone che consentono operazioni industriali intelligenti utilizzando l’analisi dei dati avanzata ridefinendo il panorama sia per le imprese che per i privati.
L’Internet delle Cose Industriale (IIoT)
Sebbene esistano numerose definizioni IoT, quelle rilevanti per l'applicazione industriale rendono espliciti i tipi di componenti intelligenti che vengono incorporati in oggetti ordinari in modo che quegli oggetti possano contare come dispositivi IoT. Una definizione di IoT potrebbe essere così citata: un gruppo di infrastrutture e oggetti interconnessi che consentono la gestione e l’accesso ai dati, sensori e attuatori, che eseguono una specifica funzione in grado di comunicare tra loro e con altre apparecchiature. I termini "Internet of Things" e "IoT" si riferiscono ampiamente all'estensione di connettività di rete e capacità di elaborazione degli oggetti, dispositivi, sensori e oggetti normalmente non considerati computer, come ad esempio i microcontrollori.
Questi "oggetti intelligenti" richiedono un intervento umano minimo per generare, scambiare e consumare dati; spesso dispongono di connettività con capacità di raccolta, analisi e gestione dei dati da remoto. L'IoT rappresenta uno scenario in cui si trova ogni oggetto o cosa integrati con un sensore ed in grado di comunicare automaticamente il suo stato ad altri oggetti e a sistemi automatizzati all'interno di un ambiente. Ogni oggetto rappresenta un nodo in una rete virtuale in grado di trasmettere continuamente un grande volume di dati. Sulla base di queste definizioni di IoT, una prima definizione di IIoT potrebbe essere: l'uso di alcune tecnologie IoT, alcuni tipi di oggetti intelligenti all'interno di sistemi in ambito industriale, per la promozione degli obiettivi distintivi per l'industria.
I Sistemi cyber-fisici
Sebbene ci siano una serie di definizioni di sistemi cyber-fisici, definiamo come cyber-fisico un sistema che comprende un insieme di interazioni fisiche e componenti digitali, che possono essere centralizzati o distribuiti, che forniscono una combinazione di funzioni di rilevamento, controllo, calcolo e rete di comunicazione, per influenzare i risultati nel mondo reale attraverso processi fisici. Ciò che distingue i sistemi cyber-fisici dalle informazioni più convenzionali e dai sistemi di comunicazione, è la caratteristica di interazione con il mondo fisico in tempo reale. Il focus dei sistemi cyber-fisici è sul controllo di processi fisici. I sistemi cyber-fisici utilizzano sensori per ricevere informazioni, incluse misurazioni di parametri fisici e attuatori per attivare il controllo sui processi fisici. I sistemi cyber-fisici spesso coinvolgono un ampio range di funzioni in autonomia. Ad esempio, spesso hanno la capacità di determinare se cambiare lo stato di un attuatore o interpretare e impostare quello di un operatore umano, nel rispetto dell'ambiente che viene monitorato.
I sistemi di controllo e automazione industriale
I sistemi di controllo e automazione industriale includono dispositivi, sistemi, reti e controlli utilizzati per il funzionamento e/o automatizzare i processi industriali. Inizialmente, i sistemi di controllo industriali (ICS) avevano poca somiglianza con i sistemi informativi tecnologici (IT) tradizionali, in quanto gli ICS erano sistemi in esecuzione isolati con protocolli di controllo proprietari e hardware e software specializzati. Molti componenti ICS si trovavano in aree fisicamente protette e non erano collegati a reti o sistemi IT. I dispositivi IP di rete (Internet Protocol devices) ampiamente disponibili e a basso costo, sono ora la sostituzione di soluzioni proprietarie. Attualmente i prodotti ICS si basano principalmente su sistemi embedded di piattaforme standard applicate in vari dispositivi, come router o modem, e spesso utilizzano software commerciale disponibile sul mercato, e reti e sistemi di comando e controllo progettati per supportare processi industriali. Il più grande sottogruppo di sistemi di controllo industriali è lo SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
SCADA è stato descritto come un sistema che consente ad un operatore, in una postazione centrale di un ampio processo distribuito (come ad esempio un giacimento di petrolio o di gas, un sistema di condutture o un complesso di generazione idroelettrica) di apportare modifiche al set-point di controllori di processo remoti, di aprire o chiudere valvole o interruttori, monitorare gli allarmi e raccogliere informazioni sulle misurazioni, simile ad un sistema di controllo distribuito, con l'eccezione dei sistemi di sub-controllo essendo geograficamente distribuiti su vaste aree e accessibili utilizzando Server Terminali Remoti. Un sistema distribuito di controllo è tipicamente un sistema di controllo di supervisione di controlli e monitor che, ad esempio, impostano set-point a sotto controllori distribuiti geograficamente in una fabbrica. Le applicazioni SCADA sono costituite da due elementi: il processo/sistema/macchina che si desidera monitorare e controllare, che può assumere la forma di una centrale elettrica, un sistema idrico, una rete o un sistema di semafori; una rete di dispositivi intelligenti che si interfacciano con il sistema primario attraverso sensori e segnali di controllo.
Questa rete, che costituisce la piattaforma del sistema, fornisce la capacità di misurare e controllare elementi specifici del sistema primario. La natura dello SCADA ha portato a opinioni contrastanti sul fatto che sia parte dell'ecosistema IIoT. Ad esempio, la convinzione che lo SCADA venga considerato parte del sistema all'interno di IIoT, contrasta con una visione che ritiene SCADA semplicemente il predecessore dell'IIoT e, soprattutto, su come i sistemi SCADA si siano evoluti per connettersi a Internet ma non dispongono del livello di connettività che si trova nell’IIoT.
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