Fra le tante conseguenze dell’adozione del paradigma di industria 4.0, una particolarmente significativa è la progressiva eliminazione della tradizionale “catena di montaggio”, nella quale il prodotto seguiva un percorso lineare dall’inizio alla fine della produzione. Grazie alle nuove tecnologie è infatti possibile adottare soluzioni molto versatili per spostare i pezzi in produzione, e contemporaneamente arrivare a produrre a “lotto:1”. La soluzione tipica di produzione 4.0 è infatti costituita da isole polifunzionali totalmente separate fra loro (produzione a flusso libero, free flow), che vengono raggiunte dai pezzi in lavorazione trasportati da carrelli semoventi, spesso autonomi.
Se un approccio di questo tipo rappresenta il massimo della versatilità, esso pone però un problema di gestione non indifferente: come tenere sotto controllo la posizione di ogni singolo prodotto in produzione?
In una catena tradizionale, con un singolo percorso di lavorazione, erano sufficienti tecnologie non particolarmente sofisticate per avere il controllo costante dell’impianto: un codice a barre sul pezzo da montare e una serie di porte di rilevazione (lettori a infrarossi) lungo il percorso erano già sufficienti a determinare la posizione e lo stato di avanzamento del lavoro su ogni prodotto.
E se si voleva mantenere un controllo completo anche nelle fasi post-produzione (per esempio per la manutenzione periodica dei veicoli), si poteva ricorrere a soluzioni basate sulla tecnologia RFID: etichette alimentate a induzione da varchi di rilevazione, che una volta attivate emettono segnali a radiofrequenza utili per identificare con sicurezza il prodotto cui sono agganciate. Per intenderci, è la stessa tecnologia usata nei supermercati in funzione antitaccheggio.
Con le nuove soluzioni free-flow alternative alle catene tradizionali, però, tenere sotto controllo ciò che si sta producendo diventa più complicato. In effetti, “tenere sotto controllo” indica due operazioni distinte: identificare e localizzare.
Ora, nella catena tradizionale la parte complessa era identificare il pezzo, mentre la localizzazione era banale (il percorso era fisso e quindi quando il pezzo veniva identificato da un sensore era automaticamente localizzato). Nella nuova Fabbrica 4.0, invece, il pezzo segue percorsi diversi a seconda delle lavorazioni cui deve essere sottoposto. Inoltre, lo stesso percorso può essere effettuato in tempi diversi (pensate per esempio a un’attesa imprevista dovuta a un’isola già occupata), e la stessa lavorazione può essere effettuata su percorsi diversi (esempio: più isole in grado di compiere la stessa operazione). Insomma, difficilmente avremo passaggi obbligati dove far passar i pezzi per tenerli sotto controllo, senza contare che probabilmente un controllo basato su passaggi obbligati non ci servirebbe molto, e forzare i prodotti a passare in punti specifici probabilmente abbasserebbe l’efficienza complessiva della linea.
No, quello che serve in una Fabbrica 4.0 è un sistema che ci permetta di conoscere, in ogni momento, la posizione di ciascun pezzo in lavorazione, e che grazie al suo collegamento con il cloud di gestione della produzione possa mostrarci la sua storia, a quali fasi della lavorazione deve ancora essere sottoposto, i tempi previsti di completamento, eccetera. Insomma, non ci basta identificare un pezzo, dobbiamo poterlo localizzare con precisione. E in tempo reale. Ci serve un sistema di localizzazione in tempo reale, un RTLS.
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Localizzare in tempo reale
RTLS è l’acronimo di Real Time Location System e indica una famiglia di tecnologie, generalmente basata su onde radio, che consentono di conoscere in ogni momento e con elevata precisione la posizione di un transponder posizionato su un pezzo in lavorazione, su un robot, su un veicolo autonomo o su qualsiasi oggetto in movimento che ci interessi tracciare.
I sistemi RTLS più diffusi sono ottimizzati per operare in ambiti ristretti come capannoni, depositi, aree industriali. Infatti, non utilizzando tecnologie come il GPS che sono adatte per scenari all’aperto, i transponder montati sugli oggetti da controllare sono localizzati utilizzando dei dispositivi fissi che fungono da “ancore” di riferimento, detti appunto Anchors o Gateway.
Le stazioni fisse ricevono i segnali radio emessi dai transponder, e in base al tempo di arrivo dei segnali possono stabilire la posizione del trasmettitore. È sufficiente che tre stazioni ricevano il segnale per avere la localizzazione precisa in 3D (coordinate X, Y e Z).
Qualcuno probabilmente si chiederà perché non si possa fare lo stesso usando la tecnologia RFID, visto che si tratta pur sempre di transponder a radiofrequenza (detti anche “tag”). In realtà, i tag RFID e quelli RTLS hanno differenze sostanziali. La prima è che i tag RFID sono generalmente alimentati a induzione, quindi si attivano solo quando si trovano nel raggio di copertura wireless di un lettore RFID, mentre i tag RTLS sono di solito a batteria e trasmettono un segnale identificativo a intervalli regolari o secondo logiche di trasmissione predefinite. La seconda differenza riguarda la banda radio usata.
La tecnologia RFID lavora tipicamente in banda HF (High Frequency – 13,56 MHz) o in banda UHF (Ultra High Frequency – 865-928 MHz). L’HF è una banda adatta a coprire brevi distanze di lettura (inferiori a 1 metro). Con l’UHF si possono raggiungere letture fino a alcuni metri in base anche alle potenze di trasmissione e alle tipologie di antenne utilizzate. I transponder UHF sono nettamente più adatti per esempio negli impieghi legati alla logistica, dove bisogna controllare molti elementi spesso distanti dal punto di lettura. Essi sono impiegati principalmente come tag di identificazione, in flussi di lavorazione lineari (prodotti lungo la linea di montaggio, pallet o container in ingresso e uscita da magazzini, ingresso veicoli in aree riservate, controllo autenticità di parti di ricambio montate su autoveicoli e via discorrendo). Tutte le applicazioni citate potrebbero essere realizzate anche con semplici codici a barre, ma rispetto a questi ultimi i tag RFID hanno diversi e indiscutibili vantaggi. Per esempio, il fatto di essere pressoché impossibili da falsificare, di poter essere “annegati” in un prodotto senza impatti negativi sull’estetica, o ancora la possibilità di registrare informazioni in memoria (sia in fase di produzione, per registrare le varie fasi di assemblaggio, e anche successivamente per esempio per memorizzare i tagliandi eseguiti su un veicolo). Un altro vantaggio è la possibilità di leggere le informazioni anche senza avere visibilità ottica del tag (in inglese “line of sight” – LOS), come nel caso in cui i prodotti si trovano all’interno di una scatola che non deve essere aperta.
La tecnologia RTLS invece lavora a frequenze più elevate. Per esempio, una tecnologia wireless utilizzata dai sistemi RTLS è chiamata Ultrawideband (UWB), caratterizzata appunto da una larghezza di banda molto ampia che può occupare lo spettro da 3.1 a 10.6 GHz (con differenti restrizioni imposte dalle varie normative nazionali, in Italia le frequenze sono limitate alle bande 3.1-4.8 GHz e 6.0-8.5 GHz) e da una potenza irradiata efficace (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) molto bassa, addirittura di alcuni ordini di grandezza inferiore rispetto ad altre tecnologie wireless a banda stretta molto diffuse come per esempio il WiFi.
Identificazione e localizzazione secondo Siemens
Per soddisfare le esigenze delle aziende che chiedono soluzioni complete di identificazione e localizzazione, Siemens ha in catalogo due piattaforme industriali inserite nel sistema di automazione Simatic.
Simatic Ident comprende soluzioni di identificazione ottica (OID) con la famiglia Simatic MV per la lettura di barcode (1D) e data matrix (2D), nella versione sia mobile che con camere fisse, e soluzioni di identificazione in radio frequenza (RFID) nei range di frequenza HF e UHF. RF600 è la piattaforma di identificazione, che utilizza tecnologie RFID operanti in UHF – per l’Europa, la banda è fra gli 865 e gli 868 MHz – con portata fino a 8 metri. La linea comprende vari lettori RFID ad alte prestazioni, anche in versione compatta, un’ampia selezione di tag e label per applicazioni industriali e una vasta gamma di antenne adatte a ogni tipo di ambiente.
Il sistema RFID, che sia in produzione o in logistica, si integra facilmente con l’ambiente di automazione Simatic (per esempio il portale TIA) e con il cloud aziendale tramite OPC UA. La diagnostica è controllabile da browser e anche tutti i principali KPI sono leggibili da Web. Sono supportati i principali cloud, tramite protocollo di trasporto standard MQTT, così come il sistema operativo per l’IoT aperto e basato su cloud di Siemens, MindSphere.
Simatic RTLS è invece la denominazione del sistema di localizzazione in tempo reale. Il sistema, frutto dell’acquisizione del prodotto più sofisticato e versatile sul mercato, è oggi perfettamente integrato nel portfolio di automazione Siemens. Simatic RTLS opera in UWB a frequenze comprese fra i 3 e i 7 GHz, con larghezza di banda di almeno 500 MHz, in modo da prevenire il rischio di interferenze con altri sistemi.
“L’identificazione mi dice che cosa è quell’oggetto e quando lo vedo. La localizzazione mi dà un’informazione in più, mi dice dove si trova l’oggetto”, conferma Maurizio Perquis, Sale Specialist per i Sistemi d’Identificazione e Localizzazione di Siemens Italia, al quale abbiamo chiesto un confronto fra RF600 e RTLS.
“Mentre con l’identificazione io so quando un oggetto è transitato davanti al punto di lettura, con la localizzazione io conosco la posizione geografica dell’oggetto all’interno di un’area coperta dal sistema di localizzazione. Questa tecnologia è leggermente diversa da quella precedente perché l’UWB consente precisioni di localizzazione raffinate, arrivando anche a una decina di cm. L’infrastruttura consiste in antenne che si chiamano Ancore o Gateway e che vengono posizionate in punti precisi, e in Tag attivi che trasmettono in tempo reale il loro segnale che viene captato dalle antenne, le quali trasferiscono le informazioni sulla posizione dell’oggetto taggato al software che svolge il calcolo algoritmico, la triangolazione della posizione dell’oggetto. Questo dato può poi essere elaborato, trasferito, gestito, arricchito dalla componente software”.
Tipicamente, l’infrastruttura necessita di 4/5 antenne per coprire un’area di 30×30 metri, ma il numero effettivo di dispositivi necessari varia fortemente a seconda delle specifiche richieste. Per esempio, una tag può trasmettere anche fino a 70 metri, ma a quella distanza la precisione di localizzazione potrebbe essere dell’ordine di qualche metro. Se posso piazzare antenne a una decina di metri una dall’altra otterrò facilmente una precisione dell’ordine del decimetro, a meno che le condizioni ambientali rendano difficile la propagazione delle onde radio – in quel caso, dovrò aumentare le antenne. E naturalmente anche il tempo di localizzazione è importante. Se voglio lavorare in tempo reale, diciamo un decimo di secondo a lettura, dovrò usare trasponder che tramettano più frequentemente e che consumeranno di più, se mi basta una lettura al secondo avrò maggiore autonomia.
“Potrei anche scegliere di ottenere una precisione al metro sui piazzali e a un centimetro sulle baie di lavorazione, o al mezzo metro se devo tracciare delle persone – ci spiega Massimo Barozzi, CEO di Trilogis, uno dei partner Siemens certificati RFID per lavorare sulla piattaforma RTLS -. Il sistema infatti può essere trasversale, olistico, e prevedere un’unica infrastruttura di localizzazione all’interno dello stabilimento come servizio validante per diverse funzioni, dalla sicurezza alla movimentazione merci, dall’integrazione con il MES di produzione al magazzino”. Trilogis, con sede a Rovereto, Trento (TN), è tra i quattro partner Siemens certificati come integratori di sistemi sulle tecnologie RFID/RTLS. Gli altri sono Quadrivium, ESI Software e Dynamic ID.
RTLS come tecnologia abilitante
In effetti, un sistema di localizzazione ha tutte le caratteristiche di una tecnologia abilitante, capace di fornire la base necessaria per tutta una serie di servizi. Una volta che siamo in grado di tracciare con precisione la posizione di un oggetto (prodotto, carrello, persona) all’interno di un’area delimitata come un magazzino o un sito produttivo, quello che possiamo fare con questo dato dipende dalla componente software con il quale andiamo a gestire le informazioni prodotte dal sistema di localizzazione. Si tratta di gestire il rapporto tra oggetti, spazio e tempo. Complicato? Sicuramente, ma sono tecnologie già consolidate in altri ambiti.
“Noi arriviamo dal settore dei GIS, acronimo di Geographic Information System – racconta Barozzi -. Il lavoro di un GIS è mappare sul territorio geografico infrastrutture, mezzi, e più in generale oggetti e soggetti rappresentandoli nello spazio e nel tempo per poi farli interagire. Questo tema tipicamente applicato a scenari outdoor si può adattare agli spazi interni. Più in dettaglio, la fusione tra localizzazione indoor e GIS può creare valore sfruttando la conoscenza del contesto. Per fare una semplice analogia con il corpo umano, la tecnologia RTLS equivale agli occhi mentre il GIS è il cervello. In tal senso, noi interpretiamo ciò che vediamo con il cervello, gli occhi da soli non sarebbero in grado di attribuire un significato a luci e colori. Questo esempio evidenzia come il cervello utilizzi una semantica con la quale vengono classificati gli oggetti. Allo stesso modo il GIS integra e interpreta informazioni di posizione come latitudine e longitudine o coordinate stimate dai sistemi RTLS su mappe caratterizzate da tematismi e layer informativi. Il dato di posizione acquisisce cosi un senso e un valore all’interno di una base dati che rappresenta il contesto”.
Trilogis sta lavorando anche ad un progetto di ricerca chiamato Traccia 4.0 che si pone l’obiettivo di integrare tecnologie RTLS innovative in un GIS indoor applicato a contesti tipici dell’Industria 4.0. Tra i casi d’uso in fase di studio, Traccia 4.0 supporta la creazione di magazzini intelligenti per l’ottimizzazione della logistica producendo in tempo reale eventi semanticamente leggibili, come per esempio il carico/scarico e la localizzazione automatica dei colli di una spedizione che devono essere movimentati e caricati in un container, il tutto riducendo gli errori e migliorando i flussi del magazzino. Per esempio, Traccia 4.0 indica agli operatori dove sono le merci nel magazzino per ottimizzare le operazioni di picking e delivery seguendo passo passo tutte le operazioni di “handling” di ogni singolo pallet.
Consumer vs Industrial
I sistemi di localizzazione avranno in futuro impieghi molto diffusi anche dal punto di vista consumer – prova ne sia che tutti i big player dell’informatica consumer, da Google a Apple eccetera, hanno proprie piattaforme per la localizzazione geografica e stanno lavorando per creare servizi basati sulla propria infrastruttura. Tuttavia, fra questi sistemi e quelli di tipo industriale – come l’RTLS di Siemens – c’è una netta differenza, in particolare sul significato che si vuole dare al concetto di real-time.
Per l’utilizzo consumer, probabilmente sapere dove si trova una persona a intervalli di due o tre minuti è più che sufficiente – basta per collocarla presso un ristorante, o per inviarle per esempio la pubblicità di un negozio davanti al quale probabilmente transiterà nei prossimi minuti. Ma in ambito industriale, Real Time implica una risposta nel giro di secondi, se non frazioni di secondo. Per esempio, un impiegato che tenta di usare il suo badge per aprire la porta di un reparto cui non è autorizzato ad accedere, deve far scattare un allarme nel giro di qualche secondo.
Questo vuol dire che il sistema di localizzazione deve registrare la posizione vicino alla porta di accesso, acquisire il tentativo di apertura, e far scattare l’allarme in modo pressoché immediato. Questo è possibile con il sistema RTLS di Siemens, ma non lo è con i sistemi di localizzazione consumer, che risponderebbero con grande ritardo. Senza contare che un sistema consumer in grado di determinare la posizione di una persona in tempo reale e con grande precisione sarebbe quasi sicuramente in conflitto con le normative sulla privacy, e questo potrebbe dare il via a una serie di problemi legali non indifferenti. Queste problematiche non riguardano invece i sistemi RTLS aziendali, proprio perché agiscono in spazi limitati e di proprietà privata, dove i regolamenti di sicurezza interna prevalgono su quelli relativi alla privacy.
Sviluppi a lungo termine
Il punto di svolta per la tecnologia RTLS è stato probabilmente l’introduzione del chip Decawave DW1000, che ha permesso di sviluppare transceiver single-chip a basso costo basati sulla tecnologia UWB, compatibili con gli standard IEEE 802.15.4-2011 e capaci di una precisione di 10 cm e di un bit rate di 6,8 Mbps. Ma l’infrastruttura RTLS è formata anche da varie componenti software, e Siemens dispone di uno stack robusto e pensato da subito per l’utilizzo industriale.
E se la base del sistema serve banalmente a reagire a un evento, ad “accendere una lampadina quando il prodotto x è nella posizione y”, le componenti software più sofisticate come quelle sviluppate da Trilogis – capaci di “mappare” la realtà dell’azienda, creando una sorta di digital twin del luogo controllato – sono in grado di fornire risposte a domande articolate, come per esempio “quante persone sono transitate giovedì in quell’area a rischio elevato?” o “da quanto tempo sono state stoccate queste merci in questa area del magazzino?” o ancora “dove si trova il pezzo che l’operaio della terza isola ha appena etichettato come completato?”.
Ma questo è solo l’inizio. In un futuro non prossimo, applicazioni software basate su infrastrutture RTLS accoppiate con sistemi esperti (supportati da algoritmi di intelligenza artificiale o deep learning) potrebbero essere in grado di proporre soluzioni a una domanda inespressa. Questo ovviamente richiederà un cambio di impostazione sul controllo dei sottosistemi, che potrebbe essere delegato sempre più alle macchine. Un sistema di questo tipo potrebbe, per esempio, accorgersi di variazioni anche cicliche nel posizionamento di persone o prodotti, valutarne le cause, e infine segnalare le anomalie dando magari suggerimenti per ripristinare la normalità.
Altri possibili sviluppi potrebbero derivare dall’integrazione di sistemi RTLS con reti di comunicazione 5G, che grazie alla bassa latenza possono fornire una infrastruttura di base adatta all’estensione di servizi RTLS dall’ambito indoor all’ambito outdoor e viceversa. Per ottenere questo risultato, però, bisognerebbe integrare la tecnologia di un chip come il DW1000 all’interno di un terminale mobile, che per forza di cose dovrebbe essere un dispositivo già in uso e accettato come lo smartphone o lo smartwatch – nessuno accetterebbe di aggiungere un altro dispositivo a quelli che già porta con sé -. Sebbene l’utilizzo diffuso di tali integrazioni non sembra imminente, molte soluzioni sono tecnologicamente già fattibili e considerata la continua accelerazione nello sviluppo di servizi “location-based” potremmo trovarci di fronte a evoluzioni imprevedibili anche nel prossimo futuro.
