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I framework o modelli emergenti di Industrie 4.0 consistono in applicazioni di controllo che collegano dispositivi smart, apparecchiature, persone e processi all'interno delle infrastrutture. Garantire una comunicazione ottimale ed in tempo reale tra i diversi parametri all'interno di una infrastruttura basata su Industrie 4.0 richiede un network di controllo a bassa latenza, alta affidabilità e che fornisca garanzie deterministiche. Usualmente, per connettere le risorse all'interno di un'infrastruttura si utilizzano reti di controllo cablate industriali ma, il contingente aumento delle implementazioni di dispositivi, sta portando a prendere in considerazione le reti wireless.
I sistemi ciberfisici di Industrie 4.0 consentono alle infrastrutture di creare un ambiente interconnesso, in cui i dati vengono trasferiti tra risorse e applicazioni di controllo in real-time. Il risultato di alcune limitazioni, come il costo relativo all'ampliamento delle connessioni cablate e le sfide relative all'implementazione su larga scala di sistemi smart che utilizzano tale tipologia di reti, è che le reti cablate stanno diventando obsolete nel panorama della nuova era industriale.
Le reti wireless sono diventate sempre più popolari in quanto rappresentano una soluzione più conveniente e facilmente implementabile per portare l'automazione industriale all'interno delle infrastrutture. Tuttavia, le reti wireless precedenti - come il 4G - non hanno la capacità di offrire comunicazioni affidabili ad alta velocità e a basse latenze all'interno delle strutture industriali. La necessità di una maggiore affidabilità ha portato alle reti 5G, le quali sfruttano un approccio decentralizzato per fornire da 10 a 30 Gbps, utilizzando una quantità minore di energia.
Si prevede che il 5G fornirà reti wireless a bassa latenza e ad alta velocità al fine di potenziare le strategie di automazione industriale. Sfruttando le reti wireless 5G, le infrastrutture industriali potranno agevolmente creare degli ambienti atti all'implementazione di centinaia di applicazioni IoT (Internet of Things) e per dispositivi smart, il cui utilizzo è previsto all'interno di strutture greenfield. L'emergere del 5G risolve il problema di una rete wireless industriale affidabile, ma lascia un'altra importante domanda senza risposta: come fornire funzionalità di rete deterministiche per favorire l'automazione in real-time?
Usualmente, le reti ethernet o quelle cablate e wireless sono reti di trasmissione dati che inviano tutti i pacchetti ad ogni nodo all'interno di un sistema cyberfisico. I nodi utilizzano i rispettivi pacchetti dati ogni volta che ne ricevono uno. Il processo di trasmissione di rete era piuttosto complicato, poiché si verificava costantemente una collisione tra i pacchetti dati e nessuno poteva prevedere con precisione il momento esatto in cui un pacchetto sarebbe arrivato al nodo richiedente.
I processi convenzionali di networking consentono ai pacchetti dati di viaggiare attraverso percorsi diversi tra i nodi di invio e quelli di ricezione, entro tempistiche non definite. La variabilità della tempistica di consegna diventa un problema rilevante quando i dati inviati sono relativi ad una variabile di controllo di un'apparecchiatura cruciale che dovrebbe funzionare in real-time. Eventuali ritardi possono portare sia a problemi relativi alla sicurezza sia a tempi di fermo non pianificati. È pertanto necessario un mezzo deterministico di rete che consenta di prevedere accuratamente il tempo necessario per trasferire i dati tra il nodo mittente e quello ricevente.
Switch controllati e protocolli di comunicazione seriale sono stati utilizzati nelle reti cablate per trasferire i dati direttamente al nodo ricevente entro una durata specifica. Esempi, come Modbus per PLC Modicon, fornivano supporto alle reti deterministiche ma erano notoriamente lenti, avevano larghezze di banda basse e non potevano garantire comunicazioni in real-time. Per questo motivo, abbiamo visto l'inizio dell'utilizzo del Time Sensitive Network, nonostante la sua configurazione sia ancora complessa. Al contrario, le reti wireless potrebbero trasmettere pacchetti dati con una maggiore larghezza di banda, ma non potrebbero prevedere con precisione quando il pacchetto dati raggiungerà il nodo ricevente.
Risolvere questa sfida richiede una combinazione tra la bassa latenza e l’elevata larghezza di banda delle reti wireless e il determinismo che permette l'automazione industriale in real-time. Si prevede che l'introduzione del Wi-Fi 6 fornirà la bassa latenza, la velocità, l'affidabilità e il determinismo richiesti dalle strutture industriali e da Industrie 4.0.
La next generation di tecnologia Wi-Fi è stata concepita in risposta al crescente numero di dispositivi IoT in tutto il mondo che devono fornire un networking affidabile. Il Wi-Fi 6, conosciuto anche come 802.11ax Wi-Fi, dovrebbe fornire un Wi-Fi più veloce – fino a 9,6 Gbps rispetto ai 3,5 Gbps del Wi-Fi 5 – ma, l'aumento della velocità non è l'unica caratteristica importante.
Il Wi-Fi 6 è così importante perché permette di migliorare le performance di rete quando più dispositivi sono connessi ad una rete wireless. Ad esempio, la connessione di più dispositivi a un router Wi-Fi 5 rallenta la velocità e le prestazioni complessive di ogni singolo dispositivo nel momento in cui quest’ultimo compete per accedere alle reti wireless. Il Wi-Fi 6 riduce questa problematica e garantisce che ogni dispositivo riceva un accesso ottimizzato alle reti wireless, anche se la domanda di connessioni aumenta.
Dal punto di vista industriale, Wi-Fi 6 agisce su SLA reali, per la prima volta dall'avvento della tecnologia wireless, circa due decenni fa. La capacità del Wi-Fi 6 di far leva sugli SLA mette in gioco il determinismo. Wi-Fi 6 utilizza la tecnologia di accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale, la OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access), al fine di fornire coerenti ritardi vocali e di trasferimento dati tra un numero crescente di dispositivi.
La latenza e gli SLA consentono al Wi-Fi 6 di utilizzare la pianificazione deterministica per trasferire i pacchetti dati dalla linea di produzione ai nodi con una precisione prevedibile. È importante sottolineare che anche i 5G core networks sono in grado di fornire una pianificazione deterministica alle strutture industriali sfruttando lo slicing della rete. Questo ci porta quindi alla seguente domanda: se entrambe hanno la capacità di fornire bassa latenza, rete ad alta velocità e determinismo, come possono essere utilizzate all'interno della stessa infrastruttura?
Lo scopo di Industrie 4.0 è l'automazione industriale attraverso l'applicazione di diverse tecnologie di rete, analisi dei dati e automazione. Pertanto, nel contesto di Industrie 4.0., 5G e Wi-Fi 6 sono tecnologie complementari. La differenza tra le due opzioni è che il 5G è più una tecnologia decentralizzata che supporta il networking tra strutture più grandi, mentre il Wi-Fi 6 fornisce il supporto necessario al mantenimento della resistenza di una connessione affidabile all'interno di una struttura.
Pertanto, il 5G sarà più adatto per ampie applicazioni wireless - come, ad esempio, le operazioni di remote monitoring delle strutture - mentre il Wi-Fi 6 sarà più adatto per supportare l'interconnettività tra i dispositivi della struttura stessa. Le strutture smart sfrutteranno sia le reti 5G sia il Wi-Fi 6 per fornire quelle reti deterministiche necessarie per il raggiungimento dei macro e micro obiettivi di Industria 4.0. Sebbene queste proposte per i futuri utilizzatori dovranno essere viste per tempo, quello che ho suggerito è solo uno dei possibili risultati futuri.
Il futuro dell'impresa industriale risiede nell'automazione delle operazioni interne delle strutture e il Wi-Fi 6 dovrebbe fornire la rete di controllo atta a raggiungere tale obiettivo. La responsabilità di queste implementazioni ricade comunque sulle spalle dei proprietari delle strutture che devono decidere quando e come armonizzare entrambe le soluzioni per potenziare le operazioni industriali.