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Networking macchine mobili operatrici: bus di campo e protocolli

05/03/2020 da Redazione, pubblicato in Digitalizzazione dell'oleodinamica

Networking macchine mobili operatrici: bus di campo e protocolli

Posted by Redazione on 05/03/2020

L’aumento del numero di dispositivi elettrici ed elettronici installati a bordo degli off-highway vehicles, includendo in tale categoria macchine per l’agricoltura, macchine per costruzione e macchine per il sollevamento, ha reso necessario il ricorso a metodi di comunicazione basati su bus, cioè su interfacce standardizzate che consentono di collegare numerosi elementi utilizzando un unico cavo. Di fatto, si è registrata un’evoluzione del networking in questo campo, imposta da un sempre maggiore dettaglio tecnico nella realizzazione di nuovi apparati di rete nel veicolo e dovuta agli sviluppi dell'Industria 4.0. Per un approfondimento su questo tema, puoi leggere anche l'articolo ""Meccatronica, oleodinamica e automazione industriale: scopri il futuro"". 

 

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I vantaggi offerti dai bus negli off-highway vehicles sono fondamentalmente gli stessi che hanno decretato il successo di queste soluzioni nell’automazione industriale e nella domotica: da un lato la possibilità di ridurre drasticamente il numero dei cavi necessari per collegare tra loro tutti i dispositivi, dall’altro l’adozione di interfacce standardizzate che facilitano la comunicazione.

Le condizioni applicative tipiche del veicolo operatore, però, sono spesso più severe di quelle che si riscontrano nelle normali applicazioni industriali, particolarmente per quanto riguarda le interferenze elettromagnetiche; alcune delle funzioni legate alla sicurezza funzionale e dell’operatore, inoltre, richiedono tempi di trasmissione certi e quindi l’impiego di bus deterministici. Per questi motivi, anziché tentare di adattare soluzioni preesistenti mutuate dal mondo dell’automazione, si è preferito sviluppare nuovi bus appositamente rivolti alle macchine mobili operatrici, includendo in questo novero trattori e attachments del trattore, escavatori, sollevatori frontali, sollevatori telescopici, piattaforme aeree da lavoro, gru, carrelli elevatori, veicoli municipali e così via. 

 

 

La ricerca di standard di comunicazione: l’organizzazione in “consorzi”

Negli anni sono stati sviluppati una varietà di bus diversi, che possono essere classificati in tre principali categorie. Al livello più basso, in termini di prestazioni e di costo, troviamo i bus destinati a collegare dispositivi elettrici che svolgono funzioni accessorie del veicolo operatore senza particolari requisiti di velocità, come ad esempio azionamento di luci o indicatori di posizione, regolazione di posizione del sedile operatore, regolazione della climatizzazione in cabina e molto altro. Seguono poi i bus rivolti alle funzioni riguardanti il motore e gli altri organi elettroidraulici principali, funzioni caratterizzate da maggiori requisiti di velocità. Al livello più alto in termini di prestazioni si collocano i bus utilizzabili anche per le funzioni critiche ai fini della sicurezza sia funzionale che dell’operatore, che richiedono tempi di trasmissione certi, e dotati di una velocità sufficiente per costituire la dorsale di comunicazione dell’intero veicolo. 

Per quanto riguarda la creazione, lo sviluppo tecnologico e la gestione industriale degli standard, il modello organizzativo prevalente nel campo dei bus per applicazioni automobilistiche e off-highway è quello del “consorzio”, struttura che generalmente comprende un nucleo composto da tre o quattro costruttori di macchine e da uno o due produttori di semiconduttori. Al gruppetto dei membri fondatori si aggiungono poi molti altri membri gerarchicamente inferiori. 

I principali standard per bus e rispettivi protocolli di comunicazione nel mondo delle macchine mobili operatrici, siano essi organizzati in consorzi o coperti da brevetto di produttore unico, sono oggi il CAN-bus e l’Ethernet-based. Negli ultimi anni, nello specifico settore delle macchine per l’agricoltura, Isobus si sta progressivamente affermando come standard di comunicazione tra il trattore e gli attachments di costruttori differenti.

 

Il CAN-bus, uno standard affermato e consolidato

 

protocollo di comunicazione industriale

 

Il Controller Area Network, noto anche come CAN-bus, è uno standard seriale per bus di campo principalmente in ambiente automotive di tipo multicast per collegare diverse unità di controllo elettronico (ECU). Il CAN è stato espressamente progettato per funzionare senza problemi anche in ambienti fortemente disturbati dalla presenza di onde elettromagnetiche. L’immunità ai disturbi EMC può essere ulteriormente aumentata utilizzando cavi di tipo twisted pair (doppino intrecciato). Il bit rate può raggiungere 1 Mbps per reti lunghe meno di 40 m. Il protocollo di comunicazione del CAN è standardizzato come ISO 11898-1 (2003).

Il CAN è divenuto uno standard per l’industria automotive nel 1992 e si è solidamente affermato, ma tutt’oggi chi l’utilizza non osa spingerne le prestazioni alla massima velocità dati di 1 Mbps, temendo le difficili condizioni elettromagnetiche ambientali.

 

Dati nel veicolo fino a 100 Mbps: l’adozione dell’Ethernet-based

Per risolvere il problema della larghezza di banda, i costruttori di macchine hanno collaborato con i principali produttori di circuiti integrati e con gli sviluppatori di sistemi per stabilire uno standard Ethernet completamente nuovo, su misura per le reti di comunicazione per i veicoli operatori.

Lo standard 802.3bw dell’IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), noto anche come 100BASE-T1, precedentemente noto come BroadR-Reach, è uno standard Ethernet a 100 Mbps destinato ad aumentare il throughput dei dati, soddisfare i severi standard automobilistici per le emissioni e ridurre il peso e il costo dei cablaggi. Utilizzando i principi di base della sovrapposizione e gli schemi specifici di codifica e scrambling, il 100BASE-T1 riduce le interferenze elettromagnetiche (EMI), il peso del cablaggio, i costi e le dimensioni di ingombro.

 

ISOBUS, la rivoluzione del networking elettronico nelle macchine per l’agricoltura

 

Isobus

 

Isobus è il protocollo normato che permette di gestire la comunicazione tra trattori, software e attrezzature dei principali costruttori, per consentire lo scambio di dati e informazioni con un linguaggio universale tramite un’unica console di comando integrata nella cabina del trattore.

Il protocollo Isobus è il risultato da un accordo tra i principali produttori di macchine e attrezzature agricole per risolvere i problemi di compatibilità, standardizzando e normando la comunicazione tra diversi macchinari, indipendentemente dal produttore.

Grazie a Isobus la cabina diventa quindi un autentico computer di bordo, che permette di governare gli attrezzi e la macchina, garantendo lo scambio di informazioni.

In conclusione, gli standard di comunicazione sono in evoluzione anche per ciò che riguarda le macchine operatrici mobili, chiamate a rispondere ai trend del momento come connettività, sicurezza, comfort e elettrificazione.

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