Quattro tecnologie elettroniche indispensabili per l’Industry 4.0

Nel contesto della trasformazione nota come Industry 4.0, i produttori più esperti sono impegnati nella concezione e nella creazione dell’impresa industriale intelligente del futuro. Unendo i propri domini IT (Information Technology) e OT (Operational Technology), stanno costruendo dei sistemi intelligenti di nuova generazione per ottimizzare la fabbricabilità, migliorare le operazioni, implementare l’assistenza clienti e analizzare i dati in tempo reale ottenuti tramite i sistemi IoT industriali. Il concetto di IoT, nella sua forma essenziale, riguarda il collegamento dei sistemi embedded a un universo più ampio. In termini più generali, comprende l’analisi dei dati (che avviene spesso direttamente nel Cloud), l’interazione umana e la sicurezza. La sfida consiste nel riunire in un’unica soluzione le quattro tecnologie Internet of Things industriali indispensabili: networking, elaborazione, interfaccia utente e sicurezza. Il nuovo processore QorIQ Layerscape LS1028A di NXP Semiconductors risponde a questa sfida.

Time-Sensitive Network

La fusione tra IT e OT è possibile solo adattando le reti cui fa riferimento ciascun dominio. Così come sono profondamente diversi i domini a livello funzionale, altrettanto sono diverse le reti cui fanno riferimento. Il dominio IT comprende sistemi che trasformano i dati in informazioni utili. Per un produttore, esso abbraccia attività comuni come contabilità, e-mail e gestione delle relazioni con i clienti, e include sistemi di produzione specifici per la pianificazione e la logistica. Si tratta di sistemi basati su computer esenti da vincoli di tempo reale particolarmente rigidi e in grado di utilizzare l’approccio best-effort dell’Ethernet tradizionale. Il dominio OT comprende i sistemi utilizzati per trasformare i materiali in prodotti e i sistemi embedded in tempo reale necessari per il controllo e il monitoraggio dei processi nonchè per la gestione del flusso operativo. Per fornire una risposta in tempo reale e lavorare con protocolli di comunicazione industriale di generazione precedente, la fabbrica potrebbe utilizzare la tecnologia Industrial Ethernet, adattata dal protocollo Ethernet standard. Sfortunatamente, i numerosi protocolli Industrial Ethernet disponibili non interagiscono né tra loro con né con l’Ethernet standard, limitando le economie di scala dei fornitori di tecnologie e rallentando così l’innovazione. Un macchinario di fabbrica potrebbe avere l’esigenza di connettersi con diverse reti Industrial Ethernet, ognuna delle quali basata sul proprio protocollo specifico. Per trasferire i dati tra le diverse reti o tra i sistemi IT il produttore deve ricorrere a dei gateway. A causa della loro limitata interoperabilità, i protocolli Industrial Ethernet non sono adatti al paradigma Industry 4.0. Allo stesso tempo, il protocollo Ethernet standard orientato all’IT non offre le prestazioni in tempo reale richieste dai sistemi di controllo. L’Ieee, tuttavia, nel 2004 aveva formato un gruppo per stabilire degli standard di streaming audio/video per le applicazioni consumer, alimentando successivamente i propri sforzi per soddisfare gli standard professionali. Questo gruppo ha sviluppato la famiglia di standard Avb (Audio/video bridging) per sincronizzare i dispositivi su una rete sulla stessa base temporale (richiamandosi allo standard Ieee 1588), profilare il traffico ed effettuare gli “admission control”. Sebbene non perfettamente adatti alle applicazioni industriali, questi standard hanno messo a disposizione una piattaforma per una gestione più precisa del traffico Ethernet. Riconoscendo il potenziale dell’Avb in campo industriale, il gruppo Ieee ha cambiato nome in Tsn (Time-Sensitive Networking) e ha iniziato a rivedere la famiglia di standard 802 per soddisfare le esigenze delle applicazioni industriali e automobilistiche, nonché a migliorare le funzionalità per l’audio/video d’uso professionale. I nuovi standard definiscono politiche e profilazione del traffico legate al tempo che consentono la pianificazione del traffico critico. Per facilitare la pianificazione, i nuovi standard permettono anche il preempimento di trame non critiche. Un nuovo standard per i percorsi di rete ridondanti migliora inoltre l’affidabilità della rete. Le aziende industriali possono ora implementare una singola rete Ethernet in standard Ieee sia per il trasporto del traffico di controllo time-critical dei sistemi OT sia per il trasporto best-effort del traffico dei sistemi IT. Ora che le tecnologie di rete fondamentali per l’IoT industriale sono definite, queste aziende possono concentrarsi sui vantaggi strategici della convergenza OT-IT e dell’Industry 4.0.

L’elaborazione

Come le reti, anche l’elaborazione deve supportare funzioni time-critical. Un sistema operativo in tempo reale garantisce la disponibilità della Cpu a ricevere ed elaborare i pacchetti di controllo quando approdano a una porta abilitata Tsn. La capacità di rispondere ai pacchetti aiuta la Cpu a indirizzare gli eventi che arrivano al processore da altri input e ad eseguire loop che controllano il sistema di cui fa parte il processore. Questi cicli potrebbero dover essere eseguiti entro 30 microsecondi o più velocemente, un grado di precisione che un sistema operativo convenzionale di origine IT non è in grado di soddisfare. La necessità di una maggiore automazione richiede capacità di elaborazione superiori nei controller embedded. L’elaborazione a prestazioni più elevate può essere utilizzata per ridurre la temporizzazione del loop di controllo, per azionare bracci robotici e linee di assemblaggio più rapidamente e per aumentare la produzione di fabbrica. Essa permette anche di aumentare il numero di assi gestiti da un singolo controller di movimento, portando a robot di fabbrica con snodi più articolati che possono operare in spazi più ristretti o eseguire attività che la precedente generazione non era in grado di affrontare. I robot in grado di apprendere le attività da un operatore umano richiedono nuove soluzioni di elaborazione delle immagini e nuovi algoritmi di Machine Learning. Tra gli Rtos commerciali si segnalano VxWorks di Wind River e Nucleus di Mentor. Questi fornitori hanno una lunga tradizione di supporto alla famiglia QorIQ di NXP e ai suoi predecessori. Con la diffusione della piattaforma Linux di livello industriale, le alternative open source rappresentano un’ulteriore opzione. Queste forniscono alle imprese industriali e ai costruttori Oem l’agilità necessaria per aggiungere nuove funzionalità ai loro sistemi. A differenza delle distribuzioni Linux embedded focalizzate sull’IT e non in tempo reale, quelle di livello industriale garantiscono le doti di determinismo, gestibilità, networking industriale e sicurezza richieste nel dominio OT. Un approccio per aggiungere funzionalità in tempo reale a Linux consiste nell’applicare la patch Preempt_RT al kernel al fine di evitare le situazioni in cui un processo software è bloccato indefinitamente da un altro processo. In questo schema, le applicazioni sono codificate con la solita Api Linux. Un altro approccio adottato da Xenomai consiste nell’aggiungere le classiche Api Rtos a un sistema Linux, facilitando il porting delle applicazioni Rtos tradizionali. Xenomai fornisce anche dei meccanismi per i driver dei dispositivi che permettono alle periferiche di rispondere in tempo reale, rafforzando la garanzia di tempo reale che Linux può offrire. Per facilitare la transizione a Linux da un classico Rtos, NXP sta lavorando con la comunità Linux industriale su una distribuzione che integra i vari potenziamenti in termini di tempo reale e di stack Tsn mantenendo le funzionalità Linux standard. Le capacità di elaborazione devono coprire anche l’analisi. L’IoT non riguarda solo i sistemi embedded di rete, bensì l’acquisizione dei dati dai sensori, la relativa analisi e la gestione delle risposte dei sistemi. Una concezione comune prevede che l’analisi sia eseguita su server remoti nel Cloud. Tuttavia, la quantità di dati da trasportare e analizzare, la criticità temporale delle decisioni da prendere e la natura proprietaria delle informazioni porteranno i produttori ad elaborare localmente i dati di produzione. Con processori sufficientemente potenti, l’analisi potrebbe essere eseguita non solo su un computer di un sito manifatturiero, ma anche direttamente all’interno dei macchinari di produzione. Oltre che per l’analisi, la capacità di elaborazione in un regime Industry 4.0 sarà utilizzata per gestire le attività da remoto per consentire alle macchine di coordinarsi tra loro autonomamente e per conseguire nuovi elementi di efficienza dal collegamento tra i dati di produzione e i sistemi IT, come ad esempio quelli per la pianificazione delle risorse aziendali.

L’interfaccia uomo-macchina

Un’altra funzione che richiede un’elevata potenza di elaborazione è l’interfaccia uomo-macchina. Le interfacce ispirate agli smartphone permetteranno di penetrare sempre di più nel mondo stanziale delle apparecchiature industriali. Interfacce visive facili da usare con flat panel multitouch possono ora essere incorporate in qualsiasi apparecchiatura industriale, semplificando le attività di controllo dell’operatore. Gli schermi ad alta risoluzione consentono di visualizzare l’output delle telecamere ad alta definizione (o migliori) che ispezionano i beni mentre vengono prodotti. A generare queste schermate sarà lo stesso tipo di unità di elaborazione grafica presente negli smartphone. Sebbene le prestazioni 3D di queste Gpu siano più contenute rispetto a quelle di uno smartphone al fine di ridurre costi e potenza, esse sono comunque in grado di supportare schermi di grandi dimensioni e ad alta risoluzione, funzioni di sovrapposizione di grafica, video e testo, e interfacce utente di nuova generazione. Le Hmi rappresentano un esempio perfetto di come nella moderna fabbrica digitale sia necessaria la convergenza dei sistemi IT e OT. Le applicazioni Hmi sono spesso realizzate con un Sdk Java o utilizzando un toolkit basato sul web. Ciò velocizza lo sviluppo delle applicazioni e consente ai responsabili di fabbrica di aggiornare facilmente i processi nell’intero stabilimento. Il tutto richiede le funzioni di una tipica rete IT, tali da consentire di effettuare aggiornamenti software alle Hmi o da assicurare la connessione costante a un server web. Tuttavia, queste Hmi sono utilizzate per comandare i macchinari industriali (spesso prevedendo dei controlli di sicurezza) quindi devono anche interfacciarsi con il dominio OT.

L’importanza della sicurezza

La convergenza di OT e IT aumenta il rischio di minacce alla sicurezza. In passato, le attività erano isolate, quasi impenetrabili dal mondo esterno. Un hacker aveva bisogno di un collegamento fisico per attaccare un macchinario. Uno scenario industriale convergente erode le barriere che isolano le attività per permettere alle informazioni di essere condivise tra i sistemi e migliorare così l’efficienza. Per garantire l’integrità dei sistemi mantenendo la permeabilità al flusso di dati devono essere erette nuove barriere. Il primo passo per i produttori di apparecchiature è quello di proteggere le relative piattaforme di elaborazione. I produttori devono assicurarsi che i loro sistemi eseguano solo software approvati e si connettano in modo sicuro agli altri sistemi. Tali sistemi devono essere messi in sicurezza e aggiornati periodicamente per resistere alla manomissione delle loro risorse hardware e software. Un recente white paper NXP sulla sicurezza IoT discute le considerazioni in merito a tutela e protezione in modo più dettagliato. Sebbene il contesto del documento sia l’IoT consumer, le stesse considerazioni valgono per l’IoT industriale. In termini finanziari e di sicurezza il rischio è più elevato nel contesto industriale: ciò amplifica la necessità di disporre di sistemi protetti.

Un SoC per l’industria

Il nuovo processore QorIQ Layerscape LS1028A permette ai produttori di apparecchiature Industry 4.0 di integrare, all’interno dei loro progetti, di reti, capacità di elaborazione, interfacce operatore e funzioni di sicurezza all’avanguardia. Questo SoC combina le tecnologie necessarie nei sistemi industriali di nuova generazione: reti sensibili al tempo, elaborazione ad alte prestazioni, interfacce utente con accelerazione hardware e alta sicurezza. Il nuovo LS1028 integra uno switch Gigabit Ethernet a quattro porte e due porte Ethernet aggiuntive con velocità fino a 2,5 Gbps, tutte compatibili con i protocolli Tsn. Due potenti Cpu Arm a 64 bit forniscono le prestazioni di elaborazione richieste dalle moderne applicazioni industriali e per Rtos, quali Linux, Xenomai Linux, Nucleus e VxWorks. La Gpu e l’interfaccia Lcd del processore consentono di supportare display ad alta risoluzione e ingressi touchscreen. Il software NXP per LS1028A include un Sdk open source per Linux industriale con prestazioni in tempo reale e supporto per gli standard Tsn. È importante sottolineare che il processore integra la collaudata architettura NXP, contribuendo a raggiungere una sicurezza IoT a prova di proiettile. Costruito sulla comprovata tecnologia NXP e disponibile per l’acquisto nell’ambito del programma quindicennale Product Longevity di NXP, l’LS1028A è un processore su cui gli Oem industriali potranno contare per anni. Sfruttando la piattaforma di riferimento NXP LS1021ATsn compatibile a livello di codice, gli Oem possono iniziare a sviluppare i loro progetti da subito. I produttori stanno affrontando una trasformazione generazionale che definirà le fabbriche e le imprese del futuro. NXP auspica di poter lavorare con i principali fornitori di apparecchiature per catalizzare questa trasformazione.

Pubblica i tuoi commenti