Corso Ege - II Edizione - PDF

CORSO EGE II EDIZIONE ESPERTO IN GESTIONE DELL'ENERGIA SETTORE CIVILE E INDUSTRIALE LEZIONE: 23 - Conoscenza di base delle tecnologie innovative di digitalizzazione applicabili al settore energetico: ad esempio IoT, IA, BACS DOCENTE: Ing. Daniele Bonato Parlare di digital energy significa, infatti...

CORSO EGE II EDIZIONE ESPERTO IN GESTIONE DELL'ENERGIA SETTORE CIVILE E INDUSTRIALE LEZIONE: 23 - Conoscenza di base delle tecnologie innovative di digitalizzazione applicabili al settore energetico: ad esempio IoT, IA, BACS DOCENTE: Ing. Daniele Bonato Parlare di digital energy significa, infatti, parlare di architetture complesse, che oltre ai sistemi hardware e software per il monitoraggio e l’azionamento dei diversi impianti energetici, comprendono i sistemi di trasmissione dei dati, e l’intelligenza necessaria alla loro elaborazione. Significa parlare di architetture distribuite ed aperte, con funzioni di elaborazione dei dati che dall’essere “a bordo macchina” diventano sempre più nel cloud, elaborate con gli strumenti di big data analytics. © VOLTA Consulting srl Gli apparati fisici che abilitano la trasformazione digitale consistono essenzialmente in prodotti intelligenti interconnessi che offrono nuove funzionalità. Tali apparati intelligenti vengono comunemente chiamati con l’appellativo «IoT» (Internet of Things). La vera innovazione non consiste nella mera connettività dell’oggetto ma nelle potenzialità che tale connessione consente di sviluppare. I prodotti tradizionali sono arricchiti da nuove funzionalità, abilitati appunto alla possibilità di interagire con altri oggetti o con l’uomo. © VOLTA Consulting srl Apparati fisici: sono tutti gli apparati che consentono di raccogliere dati in merito alle condizioni di funzionamento di un dato asset, consentendo la valutazione sia di variabili interne che di fattori esogeni. In tale famiglia rientrano tipicamente contatori, sensori e attuatori. Trasmissione e comunicazione: tecnologie che consentono la trasmissione dei dati fino alla piattaforma di immagazzinamento e la comunicazione tra i vari dispositivi digitali. Immagazzinamento e trasmissione del dato: tecnologie per lo stoccaggio delle informazioni che devono essere implementate per la trasmissione del dato all’esterno per le funzionalità di Data Analytics. Funzionalità del dato: tecnologie che, a valle della raccolta e dell’immagazzinamento dei dati, permettono di ottenere «visibilità» sul funzionamento del macchinario, consentendo azioni di controllo e programmazione per l’ottimizzazione delle performance. Valorizzazione del dato: tecnologie che possono ulteriormente valorizzare i dati raccolti, grazie ad esempio a strumenti di Big Data Analytics che permettono di individuare dei pattern ricorrenti all’interno dei Data Lake. © VOLTA Consulting srl Raccolta dati Gestione dati Funzionalità dati Apparati fisici Funzionalità del dato Contatori Trasmissione e Archiviazione comunicazione del dato Sensori Valorizzazione del dato Attuatori © VOLTA Consulting srl Negli ultimi anni si è registrato un forte sviluppo di soluzioni hardware intelligenti di ultima generazione come sensori di varia natura e HARDWARE microprocessori, che ha portato alla loro Sensori, contatori, processori e porte di miniaturizzazione e alla riduzione dei costi. collegamento che integrano componenti tradizionali meccanici e elettrici Un altro elemento distintivo è, come già visto, la componente di connettività dovuta alla presenza di elementi come porte, antenne e protocolli che consentono connessioni via cavo o SOFTWARE wireless con il prodotto. La coesistenza di Sistema operativo, applicazioni componenti software e hardware è ciò che software che consentono l’interfaccia consente lo sviluppo di soluzioni intelligenti. tra l’utente e le componenti di controllo © VOLTA Consulting srl SENSORI I sensori utilizzati nei dispositivi IoT sono caratterizzati da una natura estremamente variegata. Molti prodotti nascono ormai con la sensoristica integrata ma è possibile anche intervenire su apparati tradizionali con azioni di retrofit. E’ la tecnologia più semplice trattandosi di un’ «etichetta» contenente l’identificativo univoco di un oggetto. A seconda della natura attiva o passiva è provvisto o meno di una fonte di alimentazione propria. [Attivo: Telepass, Passivo: Carta di credito] Sono sistemi elettronici di misurazione intelligente in grado di misurare il consumo energetico e provvisti di un dispositivo di comunicazione per la trasmissione e la ricezione dei dati. © VOLTA Consulting srl © VOLTA Consulting srl  SMART MANIFACTURING SMART BUILDING Accelerometri Sensori acustici Sensori di pressione Sensori di temperatura Sensori di prossimità Giroscopi Sensori di luminosità Sensori ottici Sensori di umidità Sensori elettrici adatto RFID ✘ adattabile Contatori ✘ non adatto © VOLTA Consulting srl EVENT DRIVEN E’ l’approccio più comune per i sistemi operativi utilizzati per rispondere alle esigenze dei sistemi. L’idea chiave è che il sistema si attiva solamente quando è sollecitato da un evento esterno. Il sistema si dimostra efficiente in termini di consumo di memoria e di bassa complessità ma presenta dei limiti di programmazione [Alcuni esempi open source: Contiki, TinyOS, OpenWSN] Si tratta di un approccio utilizzato dai più moderni sistemi operativi, in cui più processi (thread) possono essere gestiti parallelamente e in modo autonomo. La complessità di programmazione è elevata dato che il sistema deve essere costruito in modo che i processi non interferiscano tra loro [Alcuni esempi open source: RIOT, nuttX, eCos, ChibiOS ] Sistemi operativi di questa categoria sono specializzati nell’agire entro tempi predeterminati. Si ha la possibilità di pianificare l’azione a seconda delle informazioni ricevute dall’esterno, definendo priorità e minimizzando le latenze. Tale tipologia di sistema operativo impone forti vincoli nella programmazione, perdendo di flessibilità. [Alcuni esempi open source: FreeRTOS, eCos, RTEMS, ThreadX] © VOLTA Consulting srl  A livello hardware si registra una buon Prestazioni livello di maturità, più accentuata per i contatori, mentre le soluzioni software Contatori RFId sono in una fase di commercializzazione Sensori e in continuo sviluppo. La complessità Event-Driven tecnologica risulta essere proporzionale al Multi-processo livello di maturità delle soluzioni. Real time Le soluzioni tecnologiche, intese come unione di hardware e software, sono disponibili sul mercato già da tempo, ma le loro applicazioni per il miglioramento dell’efficienza energetica si stanno Maturità diffondendo in maniera sistemica solo R&D Pilota Commercializzazione Maturità tecnologica negli ultimi anni. © VOLTA Consulting srl Gli apparati fisici che abilitano la digitalizzazione possono essere: installati a bordo di macchinari o impianti con azioni di retrofit già integrati in macchinari o impianti di ultima generazione La raccolta dati è possibile grazie all’interfaccia con sistemi come: SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): si tratta di un sistema informatico distribuito per il monitoraggio elettronico di sistemi fisici, largamente impiegato in ambito industriale; PLC (Programmable Logic Controller): è un controllore per industria specializzato nella gestione e nel controllo dei processi industriali tramite l’elaborazione di segnali digitali e analogici dell’impianto interessato. Tali sistemi sono dotati di porte di comunicazione seriali o Ethernet attraverso le quali è possibile raccogliere i dati. © VOLTA Consulting srl Una volta che il dato viene raccolto, vi è la necessità di implementare tecnologie che consentano la trasmissione dei dati fino alla piattaforma di archiviazione e la comunicazione tra i vari dispositivi digitali. Tale connettività consente lo scambio di informazioni tra il prodotto e l’ambiente operativo, il produttore, gli utilizzatori, altri prodotti e sistemi, assumendo essenzialmente tre forme. ONE TO ONE ONE TO MANY MANY TO MANY © VOLTA Consulting srl Lo scambio di informazioni tra i dispositivi IoT e la piattaforma di immagazzinamento può avvenire grazie a soluzioni cablate o wireless. Di seguito viene sono riportate le tecnologie per la trasmissione dei dati dalle più tradizionali a quelle più innovative: Reti cablate tradizionali Power Line communication Personal communication Reti cellulari e satellitari Reti Mesh Low Power Wifi Wireless © VOLTA Consulting srl RETI CABLATE TRADIZIONALI: Le reti cablate tradizionali possono essere utilizzate per la connessione di dispositivi IoT a patto che dimostrino «un’intelligenza» comparabile a quella delle soluzioni wireless di ultima generazione. E’ quindi possibile sfruttare la presenza di un’infrastruttura già esistente per il trasporto dei dati all’interno di una struttura, pur avendo una ridotta flessibilità. I cavi Ethernet vengono utilizzati per la creazione di reti che comprendono e mettono in connessione più nodi. Si tratta di una tecnologia performante che consente di trasmettere dati in modo veloce (fino a 10 gigabit/secondo) e sicuro. Esistono diverse tipologie di cavi Ethernet a seconda delle prestazioni raggiungibili e della resistenza alle interferenze. (Es. CAT 5, CAT 5E, CAT6, CAT6A, CAT 7). © VOLTA Consulting srl POWER LINE COMMUNICATION La trasmissione delle informazioni avviene mediante la modulazione del segnale elettrico utilizzato per l’alimentazione. I protocolli sono adattabili al mondo delle reti di media e alta tensione ma anche in quello residenziale e industriale. PERSONAL COMMUNICATION Raggruppa standard per la comunicazione in reti a corto raggio (PAN – Personal Area Network) pensate per applicazioni consumer e caratterizzate da bande e distanze di comunicazione molto strette. Ad esempio Bluetooth, ANT, NFC. RETE CELLULARI E SATELLITARI Sono le consuete tecnologie di comunicazione cellulare, ovvero GPRS, GSM (2G), HSPA (3G), LTE (4G), ma anche connessioni satellitari. A causa dell’elevato consumo energetico trovano maggiore applicazione ove è possibile alimentare i nodi, oltre che in combinazione con RMLP e Wireless Bus per la comunicazione tra i concentratori e i centri di controllo. © VOLTA Consulting srl RETI MESH LOW-POWER Reti auto-configuranti formate da nodi low-power, dall'architettura complessa, in grado di supportare l’instradamento dinamico dei dati e ottimizzate per un basso consumo energetico (ad esempio ZigBee, WHart). Si basano su indirizzo IP [Tecnologia più promettente dell’IoT] WIFI Si tratta di protocolli che consentono l’accesso wireless a reti locali a banda larga. Essendo stati sviluppati per applicazioni multimediali, che richiedono di trasmettere una mole ingente di dati, hanno elevati consumi energetici, il che comporta forti limitazioni di applicabilità in campo IoT. Si basano su indirizzo IP. WIRELESS Le tecnologie appartenenti a questo cluster replicano i principi dei bus di campo. Tali standard (che includono ad esempio Wireless M-Bus, KNX, X10) si propongono come alternativa “senza filo” a soluzioni cablate già utilizzate da tempo nel mondo industriale. Non richiedono indirizzo IP © VOLTA Consulting srl  Alto Personal Reti Reti cellulari WIFI Communication cablate e satellitari DIFFUSIONE Reti Wireless Power Line Medio Mesh BUS Communication Basso Basso [< 20m] Medio [tra 20 e 100m] Alto [>100m] RANGE DI COMUNICAZIONE © VOLTA Consulting srl L’applicabilità delle tecnologie nei vari contesti è influenzata essenzialmente da due fattori: il range di comunicazione richiesto limitazioni tecniche che ne pregiudicano il corretto funzionamento In ambito Smart Manifacturing le tecnologie di comunicazione a basso raggio non trovano applicazione a causa della necessità di trasmissione del dato su grandi distanze, mentre l’ambito Smart Building, con caratteristiche diametralmente opposte, predilige soluzioni di corto raggio. © VOLTA Consulting srl  Un ulteriore driver di selezione della tecnologia per la trasmissione e comunicazione è rappresentato dal livello di sicurezza dei dati trasmessi E’ importante che la trasmissione dei dati e quindi la comunicazione tra i vari dispositivi possa essere garantita da alti standard di continuità e quindi di affidabilità del servizio. Quando si parla di sicurezza non si intende solamente la continuità del servizio ma soprattutto la protezione dei dati oggetto della comunicazione. I dati che possono essere gestiti possono essere infatti di qualsiasi natura, personali o confidenziali di proprietà dell’azienda, e quindi standard di comunicazione avanzati e sistemi di protezione contro attacchi informatici devono essere alla base del processo di digitalizzazione in ogni ambito applicativo. © VOLTA Consulting srl  SMART MANIFACTURING SMART BUILDING Reti cablate Power Line Communication Personal Communication Reti Cellulari e Satellitari Reti Mesh Low Power adatto WiFi adattabile Wireless BUS ✘ non adatto © VOLTA Consulting srl I dati raccolti vengono indirizzati verso piattaforme di immagazzinamento locali: Software Server aziendali oppure in Cloud. Le soluzioni Cloud rispondono prontamente all’esigenza di aggregazione, normalizzazione e gestione di ingenti moli di dati in tempo reale e serie storiche. Le unità di immagazzinamento dati possono essere utilizzate sia a livello domestico che industriale ma lo scopo rimane lo stesso: aggregare i dati e potervi accedere con facilità. © VOLTA Consulting srl Le modalità di utilizzo maggiormente diffusi sono: PRIVATA Un’azienda utilizza un’infrastruttura di proprietà utilizzando i propri Data Center. IBRIDA Modello che include sia Cloud privato che di proprietà di terzi, lavorando sinergicamente nelle due piattaforme. PUBBLICA Un provider esterno mette a disposizione al pubblico una serie di servizi accessibili tramite la connessione Internet. In questo caso non vi è la necessità di possedere infrastrutture fisiche. © VOLTA Consulting srl È in questo contesto che nascono anche approcci: SaaS (Software as a Service) PaaS (Platform as a Service) in cui le infrastrutture tecnologiche, sicure e costantemente aggiornate, vengono utilizzate con la sottoscrizione di contratti di utilizzo. Negli ultimi anni tutti i grandi player del mondo IT hanno sviluppato le proprie soluzioni Cloud (come ad esempio Google, Amazon, Microsoft, IBM, SAP solo per citarne alcuni). Quando si parla di immagazzinamento del dato, in loco o in Cloud, è opportuno inoltre approfondire il concetto di proprietà intellettuale (soprattutto nel contesto industriale). Il dato potrebbe appartenere a chi lo produce o a chi lo immagazzina © VOLTA Consulting srl Le capacità dei prodotti interconnessi spaziano dal più semplice monitoraggio delle condizioni di funzionamento di un asset, con la segnalazione di eventuali anomalie, al controllo, all’ottimizzazione, fino allo sviluppo di una certa autonomia del prodotto. I prodotti intelligenti interconnessi possono avere anche altre funzionalità, rispondendo alle esigenze specifiche dei casi di applicazione. Software evoluti consentono di decifrare in modo sempre più accurato le informazioni contenute nei Big Data, creando nuove opportunità di business legate alla condivisione dei dati stessi ma anche a quella dei risultati delle elaborazioni numeriche. © VOLTA Consulting srl Le attività di valorizzazione dei dati possono essere: MONITORAGGIO E OTTIMIZZAZIONE AUTONOMIA CONTROLLO Raccolta di dati sulle condizioni di Miglioramento delle performance Il prodotto è in grado di operare funzionamento, identificazione del prodotto in maniera autonoma con malfunzionamenti o anomalie meccanismi di autodiagnosi Diagnostica predittiva Controllo delle funzioni Capacità di proposizione di dell’oggetto a seconda delle soluzioni operative/strategiche esigenze dell’utilizzatore indirizzate al decision maker © VOLTA Consulting srl