Appunti design of ICT systems for business management and production

Parte 1 – progettazione di un Sistema TLC

Ogni azienda dispone di un Sistema Informativo. Il sistema informativo è utilizzato per gestire

le informazioni, raccoglierle, archiviarle, elaborarle, scambiarle e comunicarle.

L’informatica rappresenta la parte del sistema informativo che si occupa dell’elaborazione

delle informazioni una volta che queste sono state trasformate in dati, attraverso software e

programmi. Storicamente, l’ICT è stata utilizzata principalmente per applicazioni di tipo

business.

Convergenza ICT–OT

Negli ultimi anni si è assistito a una progressiva convergenza tra ICT (Information and

Communication Technology) e OT (Operational Technology). L’ICT ha adottato modelli aperti

basati su cloud computing, edge infrastructure e servizi “as-a-service”, utilizzando reti dati IP e

reti wireless, con un approccio alla sicurezza prevalentemente perimetrale, tipico delle

applicazioni di business e delle operazioni manifatturiere ad alto livello.

L’OT, invece, è storicamente basata su controllo delle macchine e su piattaforme industriali

consolidate, selezionate in funzione di prestazioni e aJidabilità. Le reti OT sono spesso basate

su topologie Ethernet ad anello, con un approccio alla sicurezza di tipo “closed-door”. I domini

OT legacy, tipici del factory floor, sono generalmente autosuJicienti, con connessioni verso

l’esterno limitate e protette da firewall.

Un’ulteriore diJerenza tra ICT e OT riguarda l’organizzazione aziendale:

- l’ICT fa tradizionalmente capo al CIO o al CTO;

- l’OT rientra invece nelle funzioni di Engineering e Operations.

La coordinazione tra ICT e OT è stata per lungo tempo sporadica e limitata ai livelli più alti del

management.

OT vs IT nell’evoluzione industriale

Durante la terza rivoluzione industriale, l’introduzione dei PLC e dell’elettronica nelle fabbriche

ha permesso il controllo dei processi produttivi a livello di Operational Technology, in

particolare ai livelli 1 e 2 dell’architettura industriale.

Parallelamente, si sono sviluppate le classiche tecnologie IT, orientate soprattutto alle

applicazioni di business. Nell’architettura tradizionale di fabbrica non esisteva una

connessione diretta tra OT e IT: le fabbriche erano connesse, ma non integrate con il livello di

controllo aziendale.

Con l’introduzione delle nuove tecnologie, oggi è possibile abilitare la comunicazione tra il

livello più alto dell’azienda (management) e il livello più basso della fabbrica (operazioni). In

questo contesto, server industriali vengono utilizzati per consentire la comunicazione

bidirezionale tra PLC e MES (Manufacturing Execution System).

IIoT e Industry 4.0

L’Industrial Internet of Things (IIoT) e Industry 4.0 hanno il potenziale di trasformare le fabbriche

tradizionali in smart factories.

L’integrazione di sensori e dispositivi intelligenti consente alle macchine di scambiarsi dati tra

loro e di prendere decisioni in tempo reale, anche senza intervento umano. Il risultato è un

processo produttivo più sicuro, eJiciente e produttivo, con una riduzione dei costi operativi.

Per raggiungere questi obiettivi è necessario integrare i processi e l’hardware OT esistenti —

come macchinari di produzione, robot industriali, sensori e sistemi di controllo — con

l’infrastruttura IT, che comprende reti di comunicazione, sistemi di storage, capacità di calcolo

e applicazioni basate su cloud.

Industry 4.0 e Cyber-Physical Systems (CPS)

Nel contesto di Industry 4.0, i Cyber-Physical Systems (CPS) rappresentano un concetto

chiave.

I CPS sono sistemi che integrano elaborazione computazionale e processi fisici. Computer

embedded e reti di comunicazione monitorano e controllano i processi fisici attraverso cicli di

feedback, in cui i processi fisici influenzano le elaborazioni computazionali e viceversa,

consentendo un adattamento in tempo reale.

Questo approccio è reso possibile dall’integrazione tra risorse di calcolo, processi fisici e

connettività di rete su larga scala, ed è alla base delle moderne architetture industriali

intelligenti.

Cyber-Physical Systems (CPS)

Il termine physical si riferisce agli oggetti reali, così come sono percepibili dai sensi umani,

mentre il termine cyber indica la rappresentazione virtuale di tali oggetti, che viene arricchita

con un ulteriore livello informativo. Questa integrazione tra mondo fisico e mondo digitale

abilita concetti avanzati come le Social Networks of Things.

Le principali caratteristiche dei Cyber-Physical Systems (CPS) sono:

- Grazie alla presenza di sensori diJusi, un CPS è in grado di determinare

autonomamente il proprio stato operativo corrente.

- Gli attuatori eseguono le azioni pianificate e possono prendere decisioni correttive,

ottimizzando il processo controllato.

- Le decisioni vengono prese da un livello di intelligenza che può operare anche senza

l’interazione umana.

- La comunicazione di rete è fondamentale nei CPS, poiché consente a oggetti

eterogenei di scambiarsi dati tra loro e con gli esseri umani, in qualsiasi momento e

in qualsiasi condizione.

Le prestazioni della comunicazione — in termini di latenza, larghezza di banda e aJidabilità —

influenzano in modo significativo le interazioni dinamiche tra i sottosistemi all’interno dei CPS.

Internet of Things (IoT): definizioni

Nel corso degli anni, l’Internet of Things (IoT) è stato definito in diversi modi da enti e

organizzazioni internazionali.

- Secondo Cisco, l’IoT è l’“Internet of Everything”, che connette oggetti a Internet, rendendo

disponibili dati e informazioni mai accessibili prima, con una previsione di 500 miliardi di

dispositivi connessi entro il 2030.

- Secondo la Raccomandazione ITU-T Y.2060 (2012), l’IoT è un’infrastruttura globale per la

società dell’informazione, che abilita servizi avanzati tramite l’interconnessione di oggetti

fisici e virtuali, basandosi su tecnologie di informazione e comunicazione interoperabili,

esistenti ed emergenti.

- Un’ulteriore definizione descrive l’IoT come un insieme di dispositivi che:

1. sono progettati per dipendere da Internet, laddove in precedenza non ne

dipendevano;

2. sono prodotti rapidamente, configurati in modo omogeneo e distribuiti su larga

scala attraverso Internet.

Industry 5.0

Industry 5.0 è un concetto che descrive la fase successiva dello sviluppo industriale, con

l’obiettivo di combinare i vantaggi delle tecnologie avanzate con la creatività e i valori umani.

È nota anche come Collaborative Industry, poiché enfatizza la cooperazione tra esseri umani e

macchine nel processo produttivo.

Le principali caratteristiche di Industry 5.0 includono:

- un forte focus sul benessere dei lavoratori e dei consumatori, nonché sugli impatti

ambientali e sociali delle attività industriali;

- l’utilizzo di tecnologie avanzate, come intelligenza artificiale, robotica, big data e

Internet of Things, per creare prodotti e servizi personalizzati in grado di soddisfare

esigenze e preferenze diverse;

- un approccio human-centric, in cui la tecnologia è utilizzata per potenziare le

capacità umane, e non per sostituirle, nel rispetto della dignità e dei diritti umani;

- lo sviluppo della resilienza, ovvero la capacità dell’industria di adattarsi a condizioni

e sfide mutevoli, come pandemie, cambiamenti climatici, attacchi informatici o

fluttuazioni di mercato;

- il supporto alla transizione verso un’economia circolare, che mira a ridurre gli

sprechi e a massimizzare l’eJicienza delle risorse attraverso riuso, riparazione,

rigenerazione e riciclo.

Cos’è un sistema di telecomunicazione (Telecommunication System)

Un sistema di telecomunicazione consente la trasmissione e la ricezione di informazioni su

lunghe distanze utilizzando diverse tecnologie e componenti.

Definizione I sistemi di telecomunicazione comprendono l’insieme delle tecnologie e delle

à

infrastrutture utilizzate per trasmettere e ricevere informazioni su distanze significative.

Obiettivo L’obiettivo principale di un sistema di telecomunicazione è facilitare lo scambio di

à

informazioni, che possono includere voce, dati, video o contenuti multimediali, tra individui,

organizzazioni o dispositivi, anche su lunghe distanze.

A cosa serve oggi un sistema TLC nell’industria?

I sistemi di telecomunicazione (TLC) svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni

industriali moderne, poiché consentono una comunicazione eJiciente, aJidabile e in tempo

reale tra processi, dispositivi e sistemi all’interno degli ambienti industriali.

Controllo di processo e automazione I sistemi TLC vengono utilizzati per trasmettere

à

segnali di controllo, dati provenienti dai sensori e feedback tra i dispositivi industriali e i centri

di controllo. Questo permette il monitoraggio e il controllo in tempo reale dei processi

produttivi, migliorando l’eJicienza operativa e riducendo la necessità di intervento umano.

Monitoraggio e manutenzione remota Le telecomunicazioni industriali consentono il

à

monitoraggio remoto di macchinari e apparecchiature. Ciò rende possibile la manutenzione

predittiva, poiché i problemi possono essere individuati precocemente, riducendo i tempi di

fermo e ottimizzando la pianificazione degli interventi di manutenzione.

Raccolta e analisi dei dati I sistemi TLC permettono la raccolta dei dati da sensori,

à

dispositivi e macchinari distribuiti nell’ambiente industriale. I dati raccolti vengono utilizzati

per: • analisi delle prestazioni,

• ottimizzazione dei processi,

• supporto ai processi decisionali.

Comunicazione Machine-to-Machine (M2M) In molti contesti industriali la comunicazione

à

avviene direttamente tra macchine, senza intervento umano. I sistemi TLC abilitano la

comunicazione M2M, consentendo coordinamento, scambio di informazioni e

sincronizzazione tra dispositivi automatici.

Connettività wireless Le tecnologie di comunicazione wireless possono essere adottate in

à

ambienti industriali in cui le connessioni cablate risultano impraticabili o troppo costose.

La connettività wireless oJre maggiore flessibilità nella distribuzione e nel riconfigurare

macchine, sensori e dispositivi.

Interoperabilità Negli ambienti industriali coesistono spesso sistemi legacy e dispositivi

à

moderni provenienti da produttori diversi. I sistemi di telecomunicazione garantiscono

l’interoperabilità, permettendo a sistemi eterogenei di comunicare e cooperare in modo

integrato.

Reporting in tempo reale La comunicazione istantanea all’interno della rete industriale

à

consente il reporting in tempo reale delle metriche di produzione, supportando il management

nel prendere decisioni informate e tempestive.

Integrazione con servizi cloud Sempre più applicazioni industriali integrano servizi cloud

à

per archiviazione dei dati, analisi avanzata e accesso remoto. I sistemi TLC permettono la

connessione tra impianti on-premises e piattaforme cloud, abilitando nuove funzionalità e

modelli operativi.

Scalabilità e preparazione al futuro I sistemi di telecomunicazione industriali devono

à

essere progettati per essere scalabili e future-ready, in modo da supportare la crescita

dell’impianto e l’evoluzione tecnologica nel tempo.

Riassunto operativo: perché serve un TLC system oggi in industria

• Un sistema TLC in ambito industriale serve a:

• fornire connettività a macchine e/o lavoratori;

• permettere alle macchine di comunicare con ERP, server o cloud per inviare e

ricevere dati e comandi;

• consentire ai lavoratori di utilizzare dispositivi mobili (ad es. tablet) per scambiare

informazioni con i server;

• acquisire e inviare informazioni tramite sensori e attuatori;

• utilizzare i sensori per raccogliere dati da macchine, robot, persone o ambiente;

• utilizzare gli attuatori per ricevere comandi dal server ed eseguire azioni specifiche;

• localizzare e navigare, ad esempio merci in magazzino o robot mobili all’interno di

un impianto produttivo.

Importanza della progettazione (per ottenere comunicazioni eRicienti e aRidabili)

Una progettazione accurata di un sistema di telecomunicazione è fondamentale per

ottimizzare le prestazioni, soddisfare i requisiti degli utenti e garantire l’adattabilità alle future

evoluzioni tecnologiche.

Ruolo della progettazione nell’ottimizzazione delle prestazioni di comunicazione

La progettazione dei sistemi di telecomunicazione gioca un ruolo cruciale nell’ottimizzazione

delle prestazioni di comunicazione. Un progetto ben strutturato consente una trasmissione

eJiciente dei dati, la riduzione della latenza e la massimizzazione del throughput.

Le decisioni progettuali influenzano direttamente parametri chiave come:

• qualità del segnale,

• tasso di errore,

• eJicienza complessiva del sistema.

Impatto della progettazione su aRidabilità, scalabilità ed esperienza utente

Un sistema TLC ben progettato migliora l’aJidabilità della rete, riducendo i tempi di inattività e

garantendo un’elevata disponibilità del servizio. La progettazione orientata alla scalabilità

consente di supportare l’aumento della domanda di rete e la crescita futura dell’infrastruttura

senza degradare le prestazioni.

Inoltre, la progettazione incide direttamente sull’esperienza dell’utente, oJrendo:

• connettività continua e stabile,

• tempi di risposta rapidi,

• elevata qualità del servizio.

Fattori chiave da considerare nella progettazione di un sistema di telecomunicazione

• Nella progettazione di un sistema TLC è necessario valutare diversi fattori

fondamentali:

• Requisiti degli utenti: comprensione delle esigenze di comunicazione, inclusi dati,

voce e video.

• Scalabilità: capacità del sistema di supportare espansioni e crescita futura.

• AJidabilità e disponibilità: garanzia di comunicazioni continue mediante

ridondanza, tolleranza ai guasti e meccanismi di disaster recovery.

• Topologia di rete: scelta della struttura di rete più adatta in funzione dell’area di

copertura, della scalabilità e dei requisiti di gestione.

• Mezzi di trasmissione: selezione del mezzo più appropriato considerando larghezza

di banda, distanza e condizioni ambientali.

• Sicurezza: integrazione di misure di sicurezza per prevenire accessi non autorizzati,

violazioni dei dati e minacce informatiche.

• Interoperabilità: compatibilità e comunicazione eJiciente tra componenti e reti

eterogenee.

• Prestazioni e Quality of Service (QoS): progettazione orientata a latenze ridotte,

throughput elevato e perdita di pacchetti contenuta, garantendo QoS adeguata ai

diversi tipi di traJico.

• EJicienza dei costi: equilibrio tra prestazioni, aJidabilità e costi, nel rispetto del

budget.

• Conformità normativa: rispetto di leggi, regolamenti e standard applicabili.

• Future-proofing: progettazione flessibile e adattabile per accogliere tecnologie e

requisiti futuri.

Come progettare un sistema TLC

La progettazione di un sistema di telecomunicazione può essere strutturata nei seguenti

passaggi:

1. Raccolta dei requisiti degli utenti

2. Analisi delle caratteristiche dell’ambiente (industriale)

3. Conduzione di uno studio di fattibilità

4. Definizione dei Key Performance Indicators (KPI)

5. Definizione dei componenti del sistema

6. Definizione dei componenti di rete

7. Selezione delle tecnologie

8. Valutazione dei costi

Comprensione dei requisiti degli utenti e degli obiettivi aziendali

La progettazione di un sistema TLC eJicace richiede una comprensione approfondita sia dei

requisiti degli utenti sia degli obiettivi di business dell’organizzazione, in relazione allo specifico

ambiente industriale.

È necessario innanzitutto raccogliere le esigenze specifiche degli utenti operanti nel contesto

industriale considerato, analizzando i flussi di lavoro, le attività svolte e le informazioni

necessarie per supportare tali attività. Questo può variare a seconda del settore (produzione,

logistica, utilities, ecc.).

Un aspetto fondamentale consiste nell’identificare i requisiti di comunicazione critici, ad

esempio per:

• monitoraggio in tempo reale,

• controllo dei processi,

• collaborazione tra sistemi e operatori.

Occorre inoltre individuare le tipologie di comunicazione richieste, come:

• comunicazione machine-to-machine (M2M),

• monitoraggio dei processi,

• sistemi di controllo e automazione.

Un sistema TLC deve anche soddisfare requisiti di aJidabilità operativa, includendo:

• tolleranza ai guasti,

• ridondanza,

• meccanismi di failover, al fine di ridurre i tempi di inattività e prevenire incidenti.

Dal punto di vista aziendale, è importante valutare come le tecnologie di comunicazione

possano:

• ottimizzare l’utilizzo delle risorse,

• migliorare l’eJicienza operativa,

• ridurre i costi complessivi.

Infine, la progettazione deve tenere conto dei piani di crescita futuri dell’organizzazione,

garantendo soluzioni scalabili e flessibili.

Metodi per raccogliere i requisiti degli utenti e definire gli obiettivi di business

Osservazioni e interviste in loco Un metodo eJicace consiste nello svolgere visite in loco,

à

durante le quali osservare direttamente i processi industriali, i flussi operativi e i modelli di

comunicazione. Parallelamente, è utile intervistare gli utenti finali, gli operatori di impianto e il

personale IT per comprendere:

• le reali esigenze di comunicazione,

• le criticità operative,

• i principali punti di ineJicienza.

Collaborazione con gli stakeholder Un altro aspetto chiave è la collaborazione con team

à

interdisciplinari e stakeholder, inclusi: reparto operativo, IT, management. Questo consente di

identificare chiaramente:

• obiettivi di business,

• priorità strategiche,

• linee guida per i sistemi di comunicazione in ambito industriale.

Studio di fattibilità (Feasibility Study)

Lo studio di fattibilità è uno strumento essenziale che consente a progettisti e stakeholder di

ottenere una valutazione completa delle sfide, dei limiti e dei rischi associati al sistema TLC

proposto.

Attraverso lo studio di fattibilità è possibile:

• prendere decisioni informate,

• adattare il progetto se necessario,

• valutare la fattibilità complessiva del progetto prima dell’implementazione.

Lo studio di fattibilità garantisce inoltre che la progettazione sia allineata agli obiettivi aziendali

e alle risorse disponibili.

1. Fattibilità tecnica

La fattibilità tecnica valuta se le tecnologie e le infrastrutture necessarie sono disponibili o

realizzabili. Vengono analizzati aspetti quali: disponibilità di hardware, software, componenti

di rete, mezzi di trasmissione. Questo tipo di analisi permette di individuare sfide e limiti tecnici

che potrebbero emergere in fase di implementazione.

2. Fattibilità economica

La fattibilità economica analizza i costi complessivi del sistema TLC, includendo: costi di

progettazione, costi di implementazione (CAPEX), costi operativi e di manutenzione (OPEX),

valutazione del Return on Investment (ROI). Lo scopo è verificare se il progetto è sostenibile dal

punto di vista finanziario e compatibile con il budget disponibile.

3. Fattibilità operativa

La fattibilità operativa valuta quanto bene il sistema TLC si integra con i processi operativi

esistenti. Considera elementi quali: impatto sulle operazioni correnti, requisiti di formazione

del personale, possibili interruzioni durante l’implementazione. Questa analisi permette di

identificare rischi operativi e adattamenti necessari per garantire un’integrazione fluida.

4. Fattibilità legale e regolamentare

La fattibilità legale e regolamentare verifica la conformità del progetto a: leggi vigenti,

regolamenti, standard di settore, requisiti di licenza.

Include aspetti legati a: protezione dei dati, privacy, sicurezza, allocazione dello spettro radio.

Questo tipo di analisi consente di individuare vincoli normativi e garantisce che il sistema TLC

soddisfi tutti gli obblighi di conformità.

Pianificazione dell’architettura di rete (Network Layout Planning)

La pianificazione della rete consiste nel definire la disposizione, la struttura e l’organizzazione

fisica dei componenti di rete. Essa include decisioni riguardanti il posizionamento di switch,

router, access point e di altri elementi dell’infrastruttura di rete. Una corretta pianificazione è

essenziale per garantire prestazioni elevate, aJidabilità e semplicità di gestione.

Copertura ottimale Uno degli aspetti più importanti della pianificazione di rete è garantire

à

una copertura adeguata dell’area di interesse. Ciò richiede il posizionamento strategico di

access point o stazioni base per assicurare suJiciente potenza del segnale e una copertura

continua per i dispositivi wireless. Analizzando la disposizione fisica dell’ambiente e la

presenza di ostacoli (muri, macchinari, strutture metalliche), è possibile determinare il numero

e la posizione ottimale degli access point necessari per ottenere una connettività aJidabile.

Flusso eRiciente dei dati La pianificazione della rete deve anche garantire un flusso

à

eJiciente dei dati. Questo implica: valutare i requisiti di banda dei vari segmenti di rete,

analizzare i pattern di traJico previsti, individuare la posizione di dispositivi o applicazioni ad

alto consumo di banda. Posizionando in modo appropriato switch, router e altri dispositivi di

rete è possibile: ottimizzare il traJico dati, ridurre la latenza, prevenire congestioni di rete.

Facilità di manutenzione Un ulteriore obiettivo della pianificazione di rete è semplificare le

à

attività di manutenzione e troubleshooting. I componenti di rete dovrebbero es