Ciò che sta rivoluzionando l’Internet of Things industriale è la rete wireless Mesh. Rispetto alla tradizionale topologia a stella, questa architettura decentralizzata crea un’infrastruttura di comunicazione più flessibile e affidabile con l’aiuto di una rete autonoma tra i nodi. Nell'ambiente industriale, le apparecchiature sono ampiamente distribuite e l'ambiente è complesso. La distribuzione cablata è costosa e wireless. Line Mesh risolve perfettamente il problema della copertura degli angoli ciechi in virtù della trasmissione multi-hop. Ancora più importante, la sua funzionalità di autoriparazione garantisce che quando un nodo fallisce, la rete possa ricostruire automaticamente il routing, migliorando notevolmente la disponibilità del sistema. Questa tecnologia è particolarmente adatta per scenari come la produzione intelligente e le miniere intelligenti che richiedono connessioni di apparecchiature su larga scala.
Perché l’IoT industriale ha bisogno di reti mesh wireless
Gli scenari IoT industriale hanno requisiti estremamente severi in termini di affidabilità della rete. Tra questi, il Wi-Fi tradizionale presenta evidenti carenze in termini di copertura e capacità anti-interferenza, soprattutto in ambienti come acciaierie e impianti chimici dove sono presenti un gran numero di apparecchiature metalliche e interferenze elettromagnetiche. Le reti Wireless Mesh utilizzano meccanismi di trasmissione multi-percorso per evitare efficacemente i rischi causati da singoli punti di guasto. Quando si verificano ostacoli o interferenze di segnale sul percorso di trasmissione, i pacchetti di dati sceglieranno automaticamente il percorso ottimale per saltare. Questa capacità di routing dinamico garantisce la trasmissione stabile dei dati chiave.
In una fabbrica intelligente con attrezzature dense, la rete wireless può supportare centinaia di nodi di sensori da collegare contemporaneamente. Ogni nuovo nodo espanderà la copertura della rete e non condividerà la larghezza di banda come le reti tradizionali. Questa funzionalità rende l'implementazione della rete estremamente scalabile e le aziende possono aggiungere gradualmente punti di monitoraggio in base alle esigenze di produzione senza ricablare o modificare l'architettura di rete. Durante l'applicazione pratica, la rete Mesh implementata nel sistema di monitoraggio degli oleodotti e dei gasdotti ha raggiunto una copertura a lunga distanza di oltre 50 chilometri, difficile da ottenere con la tecnologia wireless tradizionale.
In che modo le reti mesh wireless migliorano la sicurezza industriale
Una produzione sicura in un ambiente industriale è inseparabile da una trasmissione affidabile dei dati. Le reti Wireless Mesh forniscono canali di comunicazione ridondanti per i sistemi di monitoraggio della sicurezza. I dati di monitoraggio video e persino le informazioni sugli allarmi dei sensori possono essere trasmessi in parallelo attraverso più percorsi. Nelle aree a prova di esplosione degli impianti chimici, un tale meccanismo di garanzia multipercorso riduce significativamente i rischi per la sicurezza causati dalle interruzioni della comunicazione; anche se un nodo wireless viene danneggiato, i dati di monitoraggio possono comunque essere inviati al centro di controllo attraverso percorsi alternativi.
Nell'officina di produzione automobilistica, i dati sul funzionamento del braccio robotico e i risultati dell'ispezione della qualità del prodotto vengono trasmessi al sistema MES in tempo reale attraverso la rete Mesh crittografata. Per i dati di produzione che coinvolgono segreti industriali, la rete Mesh supporta la trasmissione crittografata end-to-end e utilizza l'algoritmo di crittografia AES-256 per garantire che i parametri di produzione e le ricette di processo non vengano rubati durante la trasmissione wireless. Questa funzionalità di sicurezza consente alle aziende di sentirsi a proprio agio e di incorporare i collegamenti chiave della produzione nella gestione dell’IoT senza preoccuparsi della fuga di dati.
Quali fattori dovrebbero essere considerati quando si implementano reti Mesh wireless?
Prima dell'implementazione, assicurarsi di condurre una valutazione dettagliata dell'ambiente RF in loco. Nel settore industriale esistono un gran numero di attrezzature metalliche. La riflessione e l'assorbimento dei segnali wireless da parte di questi oggetti avrà un grave impatto sulla qualità della trasmissione. Sono necessari strumenti professionali per rilevare i livelli di rumore nelle bande di frequenza da 2,4 GHz e 5 GHz e identificare potenziali fonti di interferenza. Durante l'organizzazione dell'officina di stampaggio a iniezione, abbiamo scoperto che il motore della grande macchina per lo stampaggio produceva interferenze elettromagnetiche ad alta intensità durante il funzionamento, il che ci richiedeva di regolare la posizione dell'antenna del nodo più lontano dalla fonte di interferenza.
Per quanto riguarda la pianificazione della topologia della rete, è necessario bilanciare il rapporto tra copertura e ritardo di trasmissione. La trasmissione multi-hop può effettivamente espandere la copertura, ma ogni hop aggiuntivo aumenterà il ritardo di circa 2-3 millisecondi. Per le applicazioni che richiedono il controllo in tempo reale, come i bracci robotici industriali che lavorano insieme, il numero di salti deve essere controllato entro 3 salti. Allo stesso tempo bisogna considerare anche la modalità di alimentazione del nodo. Nelle aree in cui è difficile posare le linee elettriche, la scelta dei nodi Mesh che supportano l’energia solare può semplificare notevolmente la difficoltà di implementazione.
In quali scenari industriali il wireless Mesh presenta i maggiori vantaggi?
Nei grandi parchi industriali all'aperto, come le raffinerie di petrolio e i parchi eolici, la rete wireless presenta un valore unico. In queste scene, le apparecchiature sono ampiamente distribuite, il terreno è complesso e il costo di posa della fibra ottica è estremamente elevato. Un progetto di energia eolica offshore si basa sull'implementazione di una rete Mesh per collegare sensori di vibrazione e monitor della temperatura distribuiti in più torri di turbine eoliche in una rete per ottenere il monitoraggio in tempo reale dello stato delle apparecchiature. La distanza di trasmissione in linea d'aria marittima tra i nodi può arrivare fino a 8 chilometri, soddisfacendo pienamente le esigenze di monitoraggio.
Nel settore manifatturiero discreto, dove spesso è necessario modificare il layout delle linee di produzione, le reti Mesh offrono una flessibilità che il cablaggio tradizionale non è in grado di ottenere. Per le officine di saldatura automobilistica, una volta che la postazione di lavoro del robot deve essere riorganizzata in base alle esigenze di produzione di nuovi modelli, la rete wireless deve solo apportare semplici modifiche alle posizioni dei nodi per adattarsi al nuovo layout. Tale comodità riduce il ciclo di modifica della linea di produzione di circa il 30% ed evita perdite di interruzione della produzione dovute alla modifica della linea.
Come scegliere le apparecchiature di rete Mesh di livello industriale
Per le apparecchiature Mesh di livello industriale è necessario soddisfare severi requisiti di adattabilità ambientale. È necessario controllare l'intervallo di temperatura operativa dell'apparecchiatura per vedere se si adatta allo scenario applicativo. Ad esempio, in un'officina di fusione dell'acciaio, i nodi vicino all'area del forno devono supportare un ampio intervallo di temperature compreso tra -40°C e 85°C. Il livello di protezione deve raggiungere almeno IP67 per garantire che possa resistere all'erosione di polvere e vapore acqueo. Ad esempio, i nodi Mesh installati nel sottosuolo da una società mineraria adottano un design a prova di esplosione e possono funzionare in sicurezza anche in un ambiente gassoso.
È necessario concentrarsi sugli indicatori chiave di prestazione dell'apparecchiatura. La potenza di trasmissione RF gioca un ruolo decisivo nella copertura e la sensibilità di ricezione influirà sulla stabilità della connessione. Le apparecchiature che supportano schede a doppia radiofrequenza possono migliorare significativamente le prestazioni. Una scheda a radiofrequenza è dedicata alla trasmissione del collegamento dorsale e l'altra all'accesso al terminale di servizio. Nel caso dello smart warehousing, un nodo Mesh con design a doppia radiofrequenza può garantire la trasmissione dei dati ad alta velocità con i nodi di livello superiore mantenendo le connessioni con 30 auto AGV.
Quali sono i limiti tecnici delle reti Mesh wireless?
Anche se i vantaggi della tecnologia Mesh sono evidenti, esistono comunque dei limiti in alcuni scenari specifici. Poiché il numero di hop continua ad aumentare, il throughput della rete diminuirà in modo significativo. I dati misurati effettivi mostrano che dopo quattro salti di trasmissione, la larghezza di banda effettiva è solo circa il 40% del primo salto. Questa è una sfida per quei sistemi di sorveglianza di sicurezza che richiedono trasmissione video ad alta definizione ed è necessario ottimizzare la struttura della rete disponendo in modo razionale e scientifico i nodi di backhaul cablati.
Il problema dell'accuratezza nella sincronizzazione temporale ne limita l'applicazione nel campo del controllo di precisione. Sebbene la più recente TSN, una tecnologia di rete sensibile al fattore tempo, stia lavorando per migliorare questo problema, per quelle situazioni di controllo del movimento che richiedono una precisione di sincronizzazione a livello di microsecondi, è attualmente consigliato l'uso di Ethernet industriale cablata. Nell'officina di lavorazione dei wafer semiconduttori, il lavoro collaborativo tra robot adotta una soluzione cablata basata sullo stabilimento, poiché la soluzione wireless non può soddisfare i rigorosi requisiti di sincronizzazione.
Quando inizi a pensare all'implementazione di reti wireless industriali, quale aspetto ti preoccupa maggiormente? È la stabilità della copertura del segnale, la sicurezza della trasmissione dei dati o il problema della compatibilità dei dispositivi? Sei sinceramente benvenuto a condividere le tue preoccupazioni interiori nell'area commenti e ti forniremo sicuramente suggerimenti professionali e mirati. Se ritieni che questo articolo sia utile in una certa misura, metti mi piace per mostrare il tuo sostegno e condividerlo con più colleghi che hanno questa esigenza.
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