L'implementazione di un sistema digital twin non è semplice. Le prestazioni dei sensori e i limiti della larghezza di banda sono solo alcuni dei problemi che contribuiscono a rendere difficile una soluzione ottimale.
Spinto dall'onnipresente connettività dell'Internet of Things (IoT) e dei sensori a basso costo, il modello del digital twin (DT) sta rapidamente diventando una parte importante della produzione e di altri settori industriali. Ma l'implementazione di un programma DT impone requisiti rigidi a tutti i livelli della catena del segnale, in particolare sul nodo perimetrale (Edge-Node) situato nei pressi o addirittura sulle stesse macchine che vengono digitalmente abbinate. Questo articolo illustrerà i sensori e l'architettura Edge-Node, discuterà l'importanza del nodo perimetrale e delle comunicazioni perimetrali e tutti gli elementi che possano massimizzare il pieno potenziale di un DT.
Architettura dei sensori e degli Edge Node
L'architettura del digital twin ricorda da vicino l'architettura IoT a tre livelli:
- I sensori sul nodo perimetrale raccolgono informazioni in tempo reale sul funzionamento di un'unità funzionale (come un robot industriale, un motore aeronautico o una turbina eolica) e trasmettono queste informazioni su una rete locale (LAN) cablata o wireless.
- Un nodo gateway comunica con più Edge Node (possibilmente utilizzando una varietà di protocolli) e combina queste informazioni in una rete geografica (WAN).
- Un nodo aziendale riceve i dati del gateway, lo applica al modello digitale e comunica i risultati.
Con un modello sufficientemente accurato e dati di alta qualità, un DT può prevedere i guasti, aumentare l'efficienza e persino apportare modifiche alle operazioni reali.
L'importanza dell’Edge Node
I DT richiedono un flusso costante di dati reali di alta qualità per convalidare le prestazioni di una macchina virtuale rispetto alla sua controparte fisica. In caso contrario i mondi reali e quelli virtuali divergeranno gradualmente e i calcoli e le previsioni di un DT avranno poco valore.
L’Edge Node è fondamentale per questo processo di raccolta dei dati perché contiene sensori che raccolgono dati de mondo reale, dati operativi e ambientali e contiene collegamenti di comunicazione che inviano a monte queste informazioni. Se un DT può apportare modifiche al processo fisico, un Edge Node contiene attuatori che consentono a questo processo di verificarsi.
Le misure del sensore si dividono in due categorie:
- Misure operative (relative alla prestazione fisica di una macchina o un dispositivo), come la resistenza alla trazione, la velocità, il flusso, lo spostamento, la coppia, la temperatura operativa o la vibrazione.
- Dati ambientali o esterni (che influenzano le operazioni del processo fisico), come la temperatura ambiente, la pressione barometrica e l’umidità.
I sensori Edge Node possono assumere molte forme. Dispositivi come i sensori di temperatura, i sensori di pressione, le celle di carico e gli accelerometri misurano le caratteristiche del mondo reale e generano informazioni numeriche. I sistemi di fusione dei sensori combinano i risultati di più sensori per generare approfondimenti che non sono possibili da ottenere da un singolo dispositivo. Telecamere e microfoni creano flussi di video e audio utilizzando informazioni complesse non strutturate, che richiedono un'elaborazione estensiva da interpretare.
Le sfide legate alle macchine legacy
Idealmente, il design di un DT inizia con un progetto digitale che funge da modello per l'installazione del mondo reale in modo che i sensori che forniscono i dati in real time possano essere inclusi nel modello ed essere portati alla versione finale. Questo è certamente il caso di molte applicazioni ad alta tecnologia presenti nei settori dell’oil & gas, dell'energia nucleare, e in quelli aerospaziale e automobilistico. Ma, se un progetto di macchina precede l'implementazione di un modello virtuale possono sorgere dei problemi. L'aggiornamento di un Edge Node per attivare il gemellaggio digitale presenta dunque una nuova serie di sfide.
I progettisti operanti in settori industriali più tradizionali raramente hanno l'opportunità di progettare da zero una controparte del mondo reale come DT. Invece, devono spesso lavorare con un'infrastruttura di fabbrica esistente che potrebbe funzionare abbastanza bene per anni, se non per decenni. In tal caso, l'infrastruttura DT deve essere "innestata" sul sistema esistente. Sebbene un sistema sottostante possa essere un buon candidato per il gemellaggio digitale, il processo d’integrazione diventa esponenzialmente più complesso se una macchina esistente presenta pochi o addirittura nessun sensore che ne monitori le prestazioni.
In questo caso, è necessario installare da decine a centinaia di sensori su una macchina che non è stata progettata per ospitare tale tecnologia.
Anche se una macchina originale dispone già di sensori, la precisione dei sensori potrebbe non essere sufficiente fornire dati utili a un modello digitale. Ad esempio, un sensore di temperatura installato può funzionare solo per rilevare un guasto di sovratemperatura, ma non per fornire la qualità dei dati necessari per identificare un modello di sovratemperatura che possa aiutare a prevedere un guasto in anticipo.
La capacità di una rete di comunicazione installata è un altro potenziale problema. Un'installazione IoT tradizionale utilizza diversi standard cablati e wireless per collegare i nodi periferici ai rispettivi gateway. Questi includono standard di settore come:
- Zigbee: per applicazioni con reti a bassa potenza;
- Sub-1GHz: per bassa potenza e lungo raggio;
- Wi-Fi: per una connessione Internet diretta ad alta velocità;
- Bluetooth: per una bassa potenza.
Ogni standard deve essere sottoposto a un'attenta valutazione per decifrare se sia o meno in grado di gestire gli aumenti degli oneri derivanti dai dati derivanti da un eventuale gemellaggio digitale.
I sensori specializzati rappresentano un filo comune nelle attuali applicazioni DT
Anche se il digital twin è ancora nella sua infanzia in molti settori, molti prodotti tecnologici sono già sottoposti a progettazione, test e convalida nel mondo virtuale e ben prima che il primo prototipo veda la luce del giorno; questi prodotti tendono anche a raccogliere un gran numero di dati da sensori che lavorano in tempo reale. I motori aeronautici e le auto da corsa Formula 1 sono due buoni esempi.
Motori aeronautici
I motori per aeromobili sono già altamente digitalizzati. Un motore a turbofan tradizionale (Figura 2) contiene sensori per misurare pressione, temperatura, flusso, vibrazione e velocità. Ed esistono più sensori specializzati all'interno di ciascuna categoria: ad esempio, a livello di pressione esistono sensori di pressione all’interno nella turbina, sensori per la pressione dell'olio, per la pressione differenziale del filtro dell'olio o del carburante, per il rilevamento dello stallo, per il controllo del motore, per il vano cuscinetto e molti altri.
Un DT richiede molti più dati di un'applicazione di monitoraggio tradizionale, quindi il design del sensore deve soddisfare i requisiti più elevati. Sebbene la maggior parte dei motori di aeroplano in servizio oggi contengano meno di 250 sensori, i produttori stanno presentando prodotti DT di prossima generazione compatibili con oltre 5.000 sensori. Ulteriori dati provengono dai sensori che monitorano il flusso di carburante, la pressione del carburante e dell'olio, l'altitudine, la velocità dell'aria, il carico elettrico e la temperatura dell'aria esterna. Rolls-Royce, GE e Pratt & Whitney stanno già utilizzando i DT per aumentare l'affidabilità, aumentare l'efficienza e ridurre i costi di manutenzione.
Formula 1
La tecnologia DT aiuta a migliorare le prestazioni del pilota e dell'auto nel mondo ad alta tensione della Formula 1. Il team McLaren-Honda, ad esempio, utilizza oltre 200 sensori per trasmettere dati in tempo reale relativi a motore, cambio, freni, pneumatici, sospensioni, e aerodinamica. Durante una gara, i sensori trasmettono fino a 100 GB di dati al McLaren Technology Center di Woking, nel Regno Unito, dove gli analisti studiano i dati e utilizzano il DT per ritrasmettere al pilota le strategie di gara ottimali. Il DT opera virtualmente nella stessa gara dell'auto fisica, adattandosi persino alle stesse condizioni stradali, al tempo atmosferico e alla temperatura.
Il futuro delle architetture DT Edge Node
Se un modello DT deve essere pienamente implementato, è necessario risolvere diversi problemi con l'architettura Edge Node esistente:
Sensori intelligenti ed elaborazione Edge Node
Poiché i sensori raccolgono una quantità sempre maggiori di dati, è importante avere una chiara comprensione di come utilizzare i dati in un modello digitale e dove elaborarli, nel nodo, sul gateway o in cloud. L'elaborazione nel nodo riduce la larghezza di banda della rete, ma rischia di far perdere informazioni riducendo le prestazioni del DT.
Il tipo di sensore influisce sulle decisioni finali. Sebbene molti sensori trasmettano informazioni in un formato strutturato e di facile utilizzo (come, ad esempio, la trasmissione digitale che denota la pressione), quelli come i microfoni e i sensori di immagine producono enormi volumi di dati grezzi non strutturati e inutili senza un'elaborazione estesa, senza riguardo per dove si verifichi la performance.
Interfacce di comunicazione avanzate
Nonostante l'aumento dell'elaborazione degli Edge Node, un flusso di dati notevolmente aumentato richiederà ai progettisti di sistemi di aumentare la larghezza di banda della rete a tutti i livelli. I motori di aeromobili, ad esempio, generano fino a 5 GB per motore al secondo e fino a 844 TB al giorno per un aereo bimotore in servizio commerciale.
Le industrie tradizionali producono grandi volumi di dati, con un'ulteriore complicazione: molti nodi periferici in posizione remota nelle tradizionali applicazioni IoT industriali utilizzano protocolli wireless a batteria e a basso consumo per l'ottimizzazione del consumo a bassa potenza. I compromessi di progettazione esistenti potrebbero richiedere una rivalutazione per rilevare i colli di bottiglia della comunicazione.
La sicurezza Edge Node
Le installazioni IoT esistenti hanno dato origine a nuovi problemi di sicurezza nei dispositivi Edge Node e misure di sicurezza come la crittografia, il design hardware sicuro, le chiavi di sicurezza e i certificati di dispositivo stanno diventando sempre più comuni. L'aumento dell'adozione di DT aumenterà l'importanza di queste tecnologie, specialmente nei nodi che aggiungono la connettività IP (Internet Protocol), punti di accesso aperti per potenziali hacker.
Edge Node fondamentale per il digital twin
L'implementazione di un programma DT impone requisiti rigidi a tutti i livelli della catena del segnale, in particolare sull’Edge Node situato in prossimità o direttamente sulle macchine che vengono abbinate. L’Edge Node è fondamentale per il digital twin, perché contiene i sensori che raccolgono dati reali, operativi e ambientali e contiene altresì i collegamenti di comunicazione che inviano a monte queste informazioni. Il digital twin è attualmente utilizzato nelle industrie aerospaziale e automobilistica, dove ci sono molti tipi di sensori specializzati che sono essenziali per creare un gemellaggio digitale. Nel retrofitting di apparecchiature in vista di un gemellaggio digitale, è necessario installare su una macchina – che non sia stata progettata a questo scopo – decine, se non centinaia di sensori; con tutti i problemi che ciò può comportare.
Perché il gemellaggio digitale possa continuare a guadagnare terreno, diverse soluzioni sono vitali e devono vivere all'interno dei sensori così come nell'elaborazione degli Edge Node, nell'elaborazione della comunicazione e nella loro sicurezza.
