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Le lezioni apprese nei primi anni di Industrie 4.0, come l'interoperabilità e la possibilità di comunicare da macchina a macchina, hanno portato alla creazione della OPC Foundation. Fin dalla sua nascita, la OPC Foundation ha cercato di fornire e consentire l'interoperabilità end-to-end indipendente dal fornitore per ogni applicazione di automazione industriale. La spinta della OPC Foundation per l'interoperabilità ha portato allo sviluppo di standard come OPC UA e OPC UA Pub/Sub su TSN. Con l'aggiunta di nuove soluzioni tecnologiche, come il 5G, questi standard devono convergere con le reti 5G per mantenere le promesse di Industrie 4.0.
Inizialmente, i dispositivi "Industrial IoT" (IIoT) che sono stati introdotti nella produzione e nelle fabbriche industriali sono stati offerti da diversi fornitori che offrono software e hardware proprietari per l'implementazione dei modelli Industrie 4.0. L'uso di soluzioni proprietarie ha portato naturalmente al caos a causa delle difficoltà di progettazione dei sistemi connessi.
Per eliminare le sfide di connettività e interoperabilità portate dai diversi dispositivi proprietari e protocolli di comunicazione, è stato sviluppato il protocollo Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA). L'intento era quello di garantire che potesse essere costruita un'architettura IoT indipendente, utilizzando soluzioni hardware e software aperte. OPC UA è stato sviluppato per essere in miglioramento continuo e l'iniziativa "pubblicazione/abbonamento" (Pub/Sub) è stata ulteriormente integrata per fornire un mezzo per una comunicazione più rapida rispetto alle reti client/server convenzionali.
Il successo di OPC UA ha portato i principali fornitori a sviluppare soluzioni secondo gli standard pertinenti, che hanno facilitato l'implementazione delle iniziative di Industrie 4.0.
Le apparecchiature di rete IT standard non comprendono la necessità di consegnare i dati con scadenze specifiche. Questo è importante per l'automazione industriale in tempo reale e ha dato origine alla necessità di TSN. Sebbene l'OPC UA garantisse l'interoperabilità, non forniva la rete deterministica necessaria per l'invio di dati sensibili al tempo. È qui che una rete sensibile al tempo (TSN) è importante per fornire una latenza garantita entro un periodo di tempo garantito.
L’OPC UA su TSN assicura che le reti IIoT possano gestire correttamente sia i dati generali che i pacchetti di dati sensibili al tempo trasferiti su una rete condivisa, il che rende possibile per i dispositivi IIoT ricevere pacchetti di dati quando necessario per regolare l'automazione industriale. L'OPC UA su TSN offre prestazioni circa 18 volte superiori per le applicazioni sensibili al tempo rispetto ad altre opzioni. Pertanto, OPC UA Pub/Sub su TSN velocizza l'automazione dei sistemi robotici e le comunicazioni in tempo reale per i dispositivi a livello field o IIoT.
L'adozione dell'IIoT nell'industria manifatturiera ha portato a reti che garantiscono affidabilità nel trasferimento di grandi set di dati. Queste reti devono avere una grande larghezza di banda che fornisca la velocità di download o la velocità di trasferimento dati che Industrie 4.0 richiede. Il wireless 5G è stato sviluppato per fornire la larghezza di banda e la velocità necessarie per le applicazioni Industrie 4.0, il che lo rende più una rete wireless industriale che una rete cellulare.
L'aumento della larghezza di banda e la bassa latenza di elaborazione che offre il 5G probabilmente saranno in prima linea nel percorso per implementare l'automazione industriale. Con il 5G si ottiene una maggiore flessibilità, reti mesh 5G e dispositivi che sostituiranno le connessioni cablate e le reti in fabbrica.
È importante notare che lo standard del protocollo OPC UA è stato progettato per un aggiornamento continuo, come è stato dimostrato dall'inclusione di un modello Pub/Sub e dalla convergenza con TSN. Oggi il 5G è il nuovo arrivato, e si prevede che nel tempo si svilupperà una relazione simbiotica tra entrambi i protocolli.
L’apertura che OPC UA su TSN offre porta al fatto che 5G e TSN possono essere implementati all'interno degli stabilimenti smart, per essere utilizzati nei loro casi d'uso principali. Ad esempio, il 5G consentirà flessibilità nell'accesso ai dati all'interno delle implementazioni IIoT, mentre il TSN fornirà la rete deterministica necessaria per la gestione dei dati sensibili al tempo. Quindi, l'integrazione del 5G con OPC UA Pub/Sub su TSN porta alla connettività senza soluzione di continuità che le applicazioni IIoT richiedono per funzionare in modo ottimale.
La combinazione di entrambe le tecnologie fornirà una connettività deterministica end-to-end. Un esempio è la connettività tra dispositivi digitali di ingresso e di uscita e un controller. Il controller potrebbe essere collocato all'interno di un dispositivo edge e l'applicazione di entrambe le tecnologie consente al dispositivo edge di ricevere pacchetti di dati di grandi dimensioni in periodi specifici.
Quando il 5G è integrato in una rete abilitata al TSN, i sistemi 5G fungono da ponte TSN che fornisce poi le operazioni di ingresso e di uscita delle porte attraverso la funzionalità di traduzione in rete (TT) sensibile al tempo. Questa combinazione migliora l'affidabilità della rete e consente un controllo completo delle reti industriali.
La configurazione di progetto dei sistemi 5G richiede l'uso di soli dispositivi 5G, poiché i dispositivi abilitati al 4G non funzioneranno con le reti 5G. OPC UA Pub/Sub su TSN fornisce un percorso per esplorare l'integrazione dei dispositivi 5G in reti costituite da dispositivi con tecnologie di rete più vecchie. L'architettura unificata che OPC promuove garantirà anche la possibilità di collegare dispositivi 5G di diversi fornitori per ottenere l'interoperabilità per le applicazioni IIoT.
La convergenza dell'OPC UA su sistemi TSN e 5G è un'opzione eccellente per soddisfare i requisiti di rete avanzati di una fabbrica completamente connessa e automatizzata. L'integrazione di entrambe le tecnologie fornirà un punto e un tempo comune per gli endpoint industriali e le applicazioni IIoT. Si prevede che la convergenza sarà responsabile del 36% dei 13.2 trilioni di dollari di opportunità che il 5G industriale dovrebbe creare.