L’IoT industriale, spesso abbreviato in IIoT (Industrial IoT), significa collegare sensori e apparecchiature in fabbriche, utility e altri siti industriali, così che il loro stato e la loro produzione si possano seguire e gestire da qualsiasi luogo. Le applicazioni più comuni dell’IoT industriale sono il monitoraggio delle condizioni delle macchine, il monitoraggio energetico, i livelli di serbatoi e fluidi, le condizioni ambientali, la misura delle utenze e la localizzazione di attrezzi e asset.

Nessuna di queste richiede una fabbrica nuova. La maggior parte comincia con pochi sensori a batteria aggiunti a macchine già in funzione. I progetti si distinguono soprattutto per quello che succede ai dati dopo, ed è di questo che parla gran parte dell’articolo.

In breve

  • Le applicazioni che si ripagano per prime sono quelle pratiche: salute delle macchine, energia, livelli, temperature e perdite.
  • La maggior parte nasce come retrofit, con sensori wireless montati su macchine esistenti e senza modifiche al sistema di controllo.
  • I dispositivi tipici sono sensori di vibrazione, pinze amperometriche, sensori di livello e di pressione, sonde di temperatura e gateway che leggono i dati dai controllori delle macchine.
  • Lo smart manufacturing comincia quando i dati di più fonti di questo tipo vengono combinati e iniziano ad attivare azioni, oltre che grafici.

Che cos’è il monitoraggio IoT industriale?

Il monitoraggio IoT industriale è la raccolta continua di letture dalle apparecchiature industriali, inviate automaticamente a un software che le memorizza, le mostra e genera avvisi. Sostituisce il giro di controllo con la cartellina, la lettura mensile dei contatori e il passaggio accanto a una macchina per ascoltarne il rumore.

La catena che c’è dietro ha gli stessi pochi anelli in quasi tutti i progetti. Un sensore misura una grandezza fisica, come vibrazione, corrente, livello o temperatura. Invia la lettura attraverso una rete, spesso una radio a basso consumo come LoRaWAN per i sensori a batteria, oppure una connessione cablata o Wi-Fi per le apparecchiature alimentate. Un gateway riceve le letture e le inoltra a una piattaforma. La piattaforma conserva lo storico, mostra le dashboard e verifica le regole, e le regole avvisano le persone o attivano azioni.

I dati di una macchina si possono ottenere in due modi. Il primo è leggere ciò che la macchina sa già: le macchine moderne e i loro PLC (controllori logici programmabili, i computer industriali che le governano) contengono valori come velocità, temperature e contatori, leggibili tramite protocolli industriali come Modbus o OPC UA. Il secondo è aggiungere sensori dall’esterno, spesso più rapido sulle macchine più vecchie o dove intervenire sul sistema di controllo richiede l’approvazione del costruttore. Molti stabilimenti usano entrambi: leggono i controllori dove è semplice e montano sensori in retrofit dove non lo è.

Come si usa l’IoT industriale nel manifatturiero?

Nel manifatturiero l’IoT industriale va ben oltre le macchine di produzione. La tabella qui sotto riporta le applicazioni più comuni, che cosa misura ciascuna e che cosa cambia una volta collegate le letture. Va letta come una serie di esempi, non come un elenco completo.

Applicazione Che cosa si misura Che cosa cambia
Monitoraggio delle condizioni delle macchine Vibrazione e temperatura di motori, pompe, ventilatori e riduttori Problemi a cuscinetti e allineamento emergono settimane prima che fermino una linea
Monitoraggio energetico Elettricità per linea, macchina o turno Consumi a vuoto e apparecchiature inefficienti diventano visibili invece di nascondersi in un’unica bolletta
Aria compressa Portata, pressione e potenza del compressore Perdite e pressione impostata troppo alta emergono come spreco misurabile
Livelli di serbatoi e fluidi Refrigerante, lubrificante, prodotti chimici, materie prime I rabbocchi si pianificano invece di scoprirli durante il giro con l’asta di livello
Condizioni ambientali Temperatura e umidità in magazzini, aree pulite e locali di polimerizzazione Materiali e prodotti restano nelle condizioni specificate, con una registrazione che lo dimostra
Temperature di processo Forni, essiccatori, celle frigorifere Uno scostamento fuori dall’intervallo della ricetta fa scattare un avviso durante il turno, non al collaudo finale
Utenze e acqua Contatori dell’acqua, sensori di perdita, pressione nelle linee di alimentazione Perdite e consumi anomali si individuano in giornata
Localizzazione degli asset Posizione di attrezzi, container, carrelli elevatori e rimorchi Meno tempo perso a cercare e meno oggetti smarriti tra un sito e l’altro

L’aria compressa mostra quanto in fretta crescono questi numeri. Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, negli stabilimenti che non le gestiscono le perdite possono a volte sprecare dal 20 al 30% della produzione di un compressore. Si pensi a un compressore da 75 kW che funziona 6.000 ore all’anno e disperde in fughe un quarto della sua produzione. Lo spreco è di circa 112.500 kWh all’anno e, a 0,20 € per kWh, si tratta di circa 22.500 € per aria che sfugge da raccordi e tubi. Monitorare di notte la potenza del compressore e la pressione di linea, a produzione ferma, mostra direttamente il carico dovuto alle perdite, perché con la produzione ferma l’aria che il compressore continua a erogare se ne va tutta in fughe.

Il monitoraggio energetico funziona allo stesso modo, su scala più ampia. La maggior parte degli stabilimenti riceve una sola bolletta elettrica, che non dice nulla su quanto consuma ciascuna macchina. Le pinze amperometriche sui cavi di alimentazione principali di ogni linea mostrano i consumi per linea e per turno, e spesso rivelano macchine lasciate accese nel fine settimana o una linea che consuma sensibilmente più energia di una identica accanto.

Le registrazioni ambientali e di processo contano soprattutto dove i materiali sono sensibili. Adesivi e rivestimenti polimerizzano correttamente solo entro un certo intervallo di temperatura e umidità, legno e carta cambiano dimensioni con l’umidità, e lo stoccaggio di alimenti e farmaci ha limiti documentati. Un sensore che registra un valore ogni qualche minuto produce la documentazione che chiedono un auditor o un cliente, e un avviso durante il turno dà a qualcuno il tempo di spostare la merce o sistemare una porta prima che un lotto vada perso.

La localizzazione degli asset si divide in due problemi diversi. Tra un sito e l’altro, rimorchi, container e veicoli possono montare tracker GPS che ne comunicano la posizione. All’interno di un grande capannone il GPS di solito non arriva, quindi la localizzazione indoor si affida ad altri metodi, come beacon Bluetooth o tag letti a porte e zone. Conviene decidere quale dei due serve prima di scegliere l’hardware, perché dispositivi e costi sono molto diversi.

Quali sono alcuni esempi di dispositivi IoT industriali?

I dispositivi dietro queste applicazioni sono per lo più strumenti comuni e ben collaudati, a cui si aggiunge una radio o una connessione di rete. Alcuni esempi tipici:

  • Sensori di vibrazione wireless, fissati sulla sede dei cuscinetti con un magnete, un prigioniero filettato o un adesivo, che trasmettono vibrazione e temperatura ogni qualche minuto.
  • Trasformatori di corrente e contatori di energia, agganciati attorno ai cavi in un quadro di distribuzione per misurare i consumi elettrici senza intervenire sul cablaggio.
  • Sensori di livello, di solito a ultrasuoni o radar, montati sulla sommità di un serbatoio per misurarne il riempimento.
  • Sensori di pressione e di portata su linee di aria compressa, acqua e processo.
  • Sensori di temperatura e umidità per locali, celle frigorifere e aree di stoccaggio, e sonde di temperatura per forni e apparecchiature di processo.
  • Sensori porta e a contatto che segnalano se un cancello, un armadio o una protezione della macchina è aperto.
  • Sensori di gas per monossido di carbonio, anidride carbonica o altri gas nelle aree di lavoro chiuse.
  • Gateway edge che leggono i valori da PLC e contatori via Modbus o OPC UA e li passano alla piattaforma.
  • Tracker per carrelli elevatori, container e rimorchi che si spostano all’interno di un sito o tra un sito e l’altro.
  • Relè e controller per valvole che possono azionare un’apparecchiatura o aprire e chiudere una valvola su comando.

Alimentazione e posizionamento determinano buona parte del lavoro pratico. I sensori a batteria si possono montare ovunque ma vanno sostituiti ogni qualche anno, mentre i dispositivi alimentati da rete richiedono un elettricista e una presa vicina. Le apparecchiature in aree con atmosfere esplosive richiedono dispositivi certificati per quella zona.

Nella scelta dei dispositivi, il protocollo conta quanto la misura. I sensori che usano uno standard aperto come LoRaWAN o MQTT si possono combinare con altri marchi e spostare su un altro software in futuro. Un sensore che comunica solo con il cloud del proprio produttore lega ogni decisione futura a quel produttore.

Per i progetti energetici, Kilo Electronics offre dispositivi di monitoraggio energetico insieme ad altri sensori industriali, e l’hardware di qualsiasi fornitore che usi una connessione supportata funziona allo stesso modo.

In che modo l’IoT industriale rende possibile lo smart manufacturing?

Smart manufacturing è un termine ampio, ma nella sostanza indica uno stabilimento in cui i dati di macchine, utenze e persone vengono combinati e usati per decidere più in fretta, sempre più spesso con azioni automatiche. L’IoT industriale fornisce i dati. Che diventino smart manufacturing dipende da ciò che succede dopo l’installazione dei sensori.

Il primo passo è combinare le fonti. Una lettura di vibrazione diventa più utile accanto all’assorbimento energetico della macchina, e la temperatura di una cella frigorifera accanto allo stato della sua porta. Questo funziona solo quando le letture di produttori diversi finiscono in un unico posto, con nomi e unità coerenti.

Poi i dati devono tradursi in azioni. Un avviso a una persona è la più comune, ma alcune risposte possono essere automatiche, come spegnere una pompa quando un serbatoio si sta svuotando o chiudere una valvola quando un sensore di perdita rileva acqua.

E una volta che tutto funziona su una linea, la stessa configurazione va replicata su altre linee e altri siti, così che il secondo stabilimento non riparta da zero.

In un reparto di produzione che lavora con Kilo, i dati si combinano associando le letture grezze di produttori diversi a un’unica metrica normalizzata, così una dashboard o una regola vede la stessa temperatura qualunque sia il sensore che la invia. Per le azioni, si assegna a una regola un comando salvato per il dispositivo, come chiudere una valvola tramite un controller LoRaWAN di Classe C o azionare un relè collegato via MQTT, e Kilo registra ogni comando con il suo esito, da Delivered a Confirmed o Failed.

La maggior parte delle soluzioni IoT per il manifatturiero cresce in questo ordine: prima il monitoraggio, poi avvisi di cui le persone si fidano, infine azioni automatiche per quei pochi casi in cui la risposta giusta non cambia mai. Passare direttamente all’automazione tende a ritorcersi contro, perché nessuno sa ancora quali letture siano abbastanza affidabili da farci scattare un’azione senza il controllo preventivo di una persona.

Applicazioni dell’IoT industriale: domande frequenti

Che differenza c’è tra l’IoT industriale nel manifatturiero e l’IoT?

La tecnologia è in gran parte la stessa, ma l’IoT industriale lavora in condizioni più difficili: disturbi elettrici, strutture metalliche, ampi intervalli di temperatura e apparecchiature che restano in funzione per decenni. Si collega inoltre a protocolli e sistemi di controllo industriali, e il costo di una lettura sbagliata o di un avviso mancato è di solito molto più alto che nell’IoT consumer.

Il monitoraggio IoT industriale funziona anche con le macchine vecchie?

Sì. Le macchine più vecchie hanno spesso uscite analogiche, tipicamente segnali 4–20 mA, o contatti a relè che indicano se sono in funzione, e piccoli convertitori possono trasformarli in letture che un gateway inoltra. Se una macchina non ha alcuna uscita, sensori esterni di vibrazione, corrente o temperatura la misurano dall’esterno.

Le applicazioni dell’IoT industriale fanno parte di Industria 4.0?

Sì, come uno dei suoi elementi costitutivi. Industria 4.0 è un concetto più ampio, introdotto nell’ambito di una strategia del governo tedesco e presentato pubblicamente alla fiera di Hannover (Hannover Messe) nel 2011, che riguarda la produzione digitale nel suo insieme. L’IoT industriale è la parte che collega le apparecchiature fisiche perché i loro dati si possano usare.

Le applicazioni dell’IoT industriale sono sicure?

Possono esserlo, se si presta attenzione. La serie IEC 62443 è il principale riferimento internazionale per la sicurezza dei sistemi di automazione e controllo industriale, e viene applicata sempre più spesso anche a dispositivi e gateway IIoT. Le pratiche di base comprendono connessioni cifrate, la separazione della rete IIoT dalla rete di controllo e la limitazione dei sistemi che possono inviare comandi alle apparecchiature.

Per vedere fianco a fianco lo stato delle macchine e i livelli dei fluidi nel proprio sito, si può montare un sensore di vibrazione su ciascuno dei tre motori il cui guasto farebbe più danni e dei sensori di livello sui due serbatoi di refrigerante che si svuotano più spesso. Poi si imposta una regola che sorveglia tutti e tre i motori e genera un allarme quando la vibrazione di uno qualsiasi resta per un’ora sopra un limite scelto. Cinque dispositivi e una regola rientrano nel piano gratuito di Kilo.