5G e Industria 4.0, un binomio chiave per lo sviluppo di smart & lean manufacturing

Il modello di Rockwell Automation e Technology BSA verso la Smart Manufacturing

Nonostante si senta parlare da diverso tempo di Industria 4.0, non tutti hanno una idea chiara di cosa sia, a cosa serva e come poterne beneficiare.

Il termine Industria 4.0 indica il processo dell’automazione e digitalizzazione dell’ecosistema industriale che integra nuove tecnologie e metodologie per migliorare le condizioni di lavoro, creare nuovi modelli di business ed aumentare produttività ed efficienza. In Nokia, abbiamo semplificato il concetto di trasformazione digitale nel manifatturiero riducendolo ad un insieme di funzionalità chiave che aprono il campo all’implementazione pratica. Vediamo il Digital Manufacturing come la combinazione di quattro livelli essenziali: business intelligence, analisi dei dati, automazione, e cloud computing, il tutto garantito da una connettività ad alte prestazioni, sicura ed affidabile che unisce solidalmente i quattro ambiti.

Oggi alcune aziende possono già avere uno o due di questi elementi, ma è la combinazione di tutti e cinque che fornisce i fattori abilitanti per l’industria 4.0 verso lo smart lean manufacturing. Non si tratta dell’applicazione, di un modello o di una tecnologia, bensì di riunire abilità complementari per aumentare la flessibilità, introdurre nuove efficienze operative e generare nuova redditività.

Ogni funzionalità aggiunge una componente fondamentale al percorso di trasformazione digitale:

  • La Business Intelligence consente di prendere decisioni in modo predittivo, aiuta ad incrementare la qualità e migliora il controllo e l’efficienza di dispositivi e processi.
  • L‘Analisi dei dati è la capacità di combinare dati estratti da diversi contesti interni ed esterni a quello aziendale, elaborarli e metterli a disposizione nella forma necessaria alle diverse entità aziendali in tempo reale.
  • L’Automazione consente di implementare operativamente i risultati generati dai processi di business intelligence, fornisce i dati che consentono la verifica degli obiettivi attesi e l’elaborazione di possibili correzioni.
  • Il Cloud computing e le nuove piattaforme edge cloud rendono disponibile la grande capacità di calcolo necessaria all’elaborazione in tempo reale della quantità di dati richiesta dalla realtà aziendale, supportandone i processi decisionali e produttivi.
  • La connettività ad alte prestazioni, sicura e affidabile è indispensabile a connettere i quattro livelli citati, in maniera certa, sicura e performante ovunque le componenti da connettere si trovino. Un elemento essenziale all’interno dell’area aziendale è rappresentato dalla rete wireless che permetta adattamenti rapidi e flessibili delle linee di produzione, consenta di connettere prontamente qualunque dispositivo mobile, e di introdurre rapidamente ed efficacemente nuovi dispositivi e sensori connessi, e di generare la versatilità indispensabile a combinare Make to Order e bassi Lead Time in modo efficiente.

Complessivamente, gli elementi evidenziati, assieme a nuovi livelli di sicurezza informatica, definiscono l’architettura per operazioni ottimizzate, efficienti e maggiormente controllate. Questo nuovo ecosistema a supporto dell’organizzazione aziendale stessa è deputato a consentire una maggiore produttività, un aumento di efficienza, migliorando contestualmente la sicurezza aziendale sul lavoro.

Perché la rete 5G dedicata è così indispensabile alla implementazione dei criteri di Industria 4.0?

Proviamo, a titolo di esempio, a considerare uno scenario di linea di produzione automatica. Sebbene l’automazione digitale sia utilizzata già da tempo nei diversi sistemi produttivi, la flessibilità e la versatilità delle linee di produzione è in grado di introdurre ulteriori significative migliorie. Generalmente i robot devono essere posizionati con elevata precisione. I bracci robotici sono limitati in termini di raggio di movimento, e per varie ragioni è necessario limitarne il moto quanto più possibile ad un’unica direzione. La progettazione per l’assemblaggio automatizzato richiede molto tempo per garantire un orientamento ottimale della catena di montaggio. Questa modalità è sicuramente più efficace per grossi lotti di produzione ma diventa inefficiente quando i lotti si riducono, richiedendo una frequente riconfigurazione delle linee. Spostare e riconfigurare questi asset da una linea all’altra è costoso e a volte molto complicato.

Ora, immaginiamo che i robot possano essere spostati in modo flessibile sul piano di produzione, orientandosi verso il pezzo da assemblare sulla base di un input sensoriale. Questo fornirebbe una grande agilità, nonché la capacità di riconfigurare le linee di produzione in pochissimo tempo. I robot di oggi possono essere progettati per consumare quantità ridotte di energia, in modo da potersi auto-alimentare. La disponibilità di sensori e telecamere che, come veicoli autonomi, consentono ai robot di collaborare con operai o con altre macchine all’interno dello spazio di lavoro, rende già possibile l’automazione dei processi di riconfigurazione a patto che si disponga di un’architettura di rete in grado di raccogliere, elaborare e riportare l’informazione elaborata al robot in tempo reale.

La possibilità di connettere un robot qualunque sia la sua posizione all’interno dell’area aziendale, di riconfigurarlo in tempo reale nonché consentire al robot stesso di adattare e modificare le sue operazioni integrando dati che provengono dall’intera linea di produzione, sono elementi che non possono essere realizzati efficacemente utilizzando le attuali reti IT aziendali come WiFi e Lan cablata.

In un ambiente di lavoro versatile e flessibile, le risorse di calcolo necessarie per supportare l’analisi software visiva e sensoriale, in tempo reale, che guida i robot, richiedono performance adeguate in termini di affidabilità, velocità di trasmissione ed elaborazione. L’elaborazione locale avanzata (edge cloud) viene utilizzata per la gestione dei dati grezzi, Artificial Intelligence, Machine Learning e analisi ed elaborazione dei dati raccolti.

Il caso d’uso dei collaborative robot appena presentato è solo uno dei tanti casi che mettono in evidenza i limiti dell’applicazione industriale di WiFi e LAN cablata quando un’azienda intende concretamente intraprendere il percorso di digitalizzazione ed automazione dei processi.

Ciò significa che ogni impianto produttivo necessita della disponibilità in tempo reale di dati operativi essenziali associati ad elevata affidabilità e sicurezza da poter trasferire e raccogliere da migliaia di dispositivi. Questo rappresenta un grosso limite per tecnologie wireless di prima generazione, come il Wi-Fi, che continuerà comunque a dominare il mercato della connettività indoor, dove non è richiesta una comunicazione ultra affidabile. Ciò include applicazioni residenziali e alcune applicazioni industriali. Il Wi-Fi nelle ultime release ha apportato significativi miglioramenti in termini di maggiore capacità, minore latenza e maggiore affidabilità, ma gli svantaggi rimanenti includono copertura e sicurezza limitate nonché limitato supporto della mobilità che ne restringono significativamente l’uso in ambito industriale.

Le reti wireless private 5G indirizzano esattamente queste problematiche del tessuto industriale produttivo. Lo standard mobile 5G per reti private industriale si avvale di soluzioni testate e collaudate da centinaia di operatori di telecomunicazioni nel mondo per creare reti dedicate allo sviluppo di realtà produttive che intendono implementare criteri di smart e lean manufacturing. Per esempio, il 5G è in grado di fornire connettività mission critical anche per treni ad alta velocità, pertanto la capacità di soddisfare qualunque esigenza di connettività dati aziendale è totalmente assicurata.

È possibile quindi soddisfare i requisiti di connettività operativa critica con una rete 5G dedicata costruita per gestire le esigenze delle applicazioni industriali, offrendo:

  • Sicurezza intrinseca: nessuna rete 4G/5G è mai stata compromessa
  • Affidabilità mission-critical: per operazioni continue senza compromessi
  • Copertura ampia e pervasiva: per connettere tutti e tutto
  • Prestazioni prevedibili: per l’automazione industriale e coordinamento delle risorse in tempo reale
  • Alta capacità: per gestire facilmente la rapida crescita di dispositivi, sensori e dati
  • Maggiore controllo operativo e flessibilità: per migliorare la sicurezza e rispondere rapidamente alle mutevoli esigenze aziendali
  • Mobilità by design: costruita su standard mobili 3GPP affidabili

Un altro elemento critico indirizzato dal 5G è la possibilità di soddisfare efficacemente i requisiti di connettività necessari, qualunque sia il segmento produttivo e qualunque sia il caso d’uso individuato.

In Nokia collaboriamo con operatori di telecomunicazioni, aziende di consulenza aziendale, integratori e produttori di applicativi e dispositivi, centri di ricerca universitari al fine di costruire l’ecosistema necessario a supportare l’introduzione di Industria 4.0 e 5G in tutti i settori produttivi.
Focalizzandoci sul segmento manifatturiero, sono già diversi i progetti importanti maturati negli ultimi due anni.

Ne è un esempio la collaborazione tra Nokia e Nippon Steel Solutions in Giappone, focalizzata su tecnologie wireless private 5G al fine di accelerare l’adozione dell’IoT industriale (IIoT) e migliorare la sicurezza sul lavoro.

Analogamente, nel settore della produzione automobilistica, Nokia e Faw in Cina stanno sperimentando una rete 5G basata sulla soluzione commerciale 5G di Nokia per beneficiare di una maggiore automazione e copertura capillare per applicazioni di guida automatica intorno alle loro strutture, maggiore sicurezza, big data, cloud e capacità dello slicing 5G.

In Giappone, Nokia è stata selezionata da Toyota Production Engineering Corporation (TPEC) per implementare nel suo centro di progettazione della produzione a Fukuoka la soluzione Nokia Digital Automation Cloud (NDAC). NDAC è una piattaforma di servizi di automazione digitale plug-and-play compatta di livello industriale che fornisce una rete wireless privata 4.9G/5G affidabile, sicura e ad alte prestazioni e un sistema di monitoraggio delle operazioni basato su edge cloud, grazie alla quale si possono raccogliere, elaborare e ospitare in modo sicuro tutti i dati generati in loco sviluppando e implementando processi di produzione innovativi in assoluta autonomia nonché importare tramite Api applicativi sviluppati in ambienti diversi.

L’Industria 4.0 è sempre vista come un percorso in cui l’elemento di connettività è un fattore chiave per consentire la graduale introduzione di nuovi casi d’uso in qualunque ambito aziendale. La rete privata dedicata 5G è un elemento critico per abilitare le soluzioni e tecnologie indispensabili ad un’efficiente evoluzione dei processi in termini di automazione e digitalizzazione.

In un recente studio, Nokia e Abi Research hanno identificato alcune tendenze chiave relative agli investimenti finalizzati allo sviluppo dell’Industria 4.0. Secondo l’indagine, il 74% degli intervistati intende aggiornare le proprie reti di comunicazione e di controllo entro la fine del 2022, oltre il 90% di questi sta valutando di introdurre reti wireless 5G nelle proprie aziende. Poco più della metà degli intervistati (52%) ritiene inoltre che l’ultima generazione di 5G sarà necessaria per raggiungere i propri obiettivi di trasformazione. Quest’ultimo dato è essenziale per capire quanto sia necessario far crescere la consapevolezza che il 5G non è un’alternativa a WiFi o Lan cablata quando si parla di Industria 4.0, ma un elemento critico per il suo efficace sviluppo. È comunque da tenere in considerazione che il 5G, tra tutte, è la tecnologia deputata a costruire le fondamenta su cui tutte le altre soluzioni e tecnologie dell’Industria 4.0 andranno ad operare.

L’Industria 4.0, come già detto, è un percorso non solo tecnologico, ma anche un percorso organizzativo, che impatta le modalità di sviluppo e ingegnerizzazione dei prodotti, le organizzazioni aziendali, il mix di competenze necessarie a far funzionare efficientemente l’azienda all’interno di un nuovo ecosistema produttivo industriale, nonché far fronte a nuove necessità e vincoli che il mercato di riferimento impone ed imporrà in maniera agile ed efficace.
Per questa ragione, molte aziende iniziano da subito ad introdurre la rete 5G aziendale dedicata al fine di disporre dell’elemento fondante che consenta l’ideazione e lo sviluppo progressivo di tutti gli elementi sopra elencati.

Vediamo alcuni esponenti di mercati verticali esprimere una netta preferenza per le reti private come pilastri della loro strategia di digitalizzazione a supporto di innovative strategie aziendali. In alcuni paesi, come l’Italia, l’implementazione di reti private 5G dedicate è stato precluso dalla mancanza di disponibilità della banda RF dedicata alle imprese. In paesi come Germania, Gran Bretagna, Giappone e Stati Uniti l’adozione di queste soluzioni è già in atto da diverso tempo. Oggi è possibile realizzare questo tipo di infrastrutture aziendali anche in Italia grazie ad accordi e cooperazioni siglate da Nokia con concessionari della banda radio frequenze 5G. Nonostante il ritardo accumulato rispetto ad altri paesi rimanga significativo, contiamo che l’esperienza che Nokia ha raggiunto nello sviluppo di oltre 180 progetti di reti private aziendali nel mondo possa velocizzarne l’introduzione in Italia recuperando parte del gap rispetto ad altri paesi manifatturieri.

L’opportunità di fronte a noi è davvero significativa e lo standard 5G ha consentito di recente di implementare i primi progetti di reti wireless private. In Nokia abbiamo avuto già modo di confrontarci con un ecosistema composto da operatori di telecomunicazioni, aziende di consulenza aziendale, integratori e produttori di applicativi e dispositivi, per definire e creare un concreto percorso di trasformazione per tutti i settori industriali. Considerando il momento, crediamo che sia quanto mai opportuno iniziare al più presto questo percorso insieme per raggiungere quanto prima gli obiettivi di sostenibilità, produttività, efficienza e sicurezza aziendale che consentano alle aziende italiane di competere e avere successo.

Marco Magliozzi

Enterprise 5G Solution Architect Nokia

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