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Una soluzione per l’interoperabilità: i fieldbus industriali

21/04/2020 da HYDAC, pubblicato in Digitalizzazione dell'oleodinamica

Una soluzione per l’interoperabilità: i fieldbus industriali

Posted by HYDAC on 21/04/2020

La comunicazione tra individui necessita di uno o più emittenti (chi parla), uno o più riceventi (chi ascolta), un canale di comunicazione (voce, radio, tv), un contesto di riferimento in cui si sviluppa il processo e, ovviamente, un messaggio che contenga un’informazione elaborata secondo le regole di un determinato codice.

Sebbene, per quanto possano spingersi in avanti tecnologia e intelligenza artificiale, gli individui siano più complessi delle macchine industriali, talvolta la comunicazione reciproca risulta più agevolata: possono difatti avvalersi, mediante mimica e gesti, della comunicazione non verbale o para verbale, privilegio che ovviamente le macchine non possiedono. Del legame tra uomo e macchina e la capacità di integrare mondo fisico e digitale con riferimento al concetto di "cyber-fisica" ne abbiamo parlato nell'articolo "Uno sguardo all'oleodinamica: tra meccatronica e automazione industriale"

Come viene trasmessa la comunicazione nei sistemi industriali? Nell’articolo una disanima dei principali protocolli di comunicazione e le relative applicazioni negli impianti industriali.

Industria 4.0

 

Il protocollo di comunicazione: che cos'è?

La comunicazione industriale si avvale di un insieme di rigide regole per la comunicazione tra le macchine, che definiscono la modalità di trasferimento dell’informazione, le tempistiche e gli eventuali controlli diagnostici. Questo insieme di regole, che per gli individui è l’idioma, in ambiente industriale si definisce protocollo di comunicazione. Il mezzo fisico e la topologia mediante cui viene trasmessa l’informazione, che per gli individui è per esempio la voce, per le macchine è il fieldbus o bus di campo.

Evitando di approfondire dettagli della teoria delle reti, ma solo al fine di orientarsi nei successivi contenuti di questo articolo, si ricordi che termini come master, client, producer sono termini che in generale identificano un dispositivo che “interroga” altri dispositivi, designati con termini come slave, server, consumer, col fine di fruire delle loro risorse o servizi. Termini invece come punto-punto, anello, stella, albero, designano l’architettura con cui le macchine comunicano, nonché la topologia del bus di campo.

Ogni costruttore di macchine industriali sceglie il bus di campo che ritiene più idoneo, soprattutto in base a considerazioni tecnologiche (tipo delle informazioni da trasferire e velocità di trasmissione), ma anche in base alla compatibilità con altri dispositivi.

 

I principali fieldbus industriali

I bus di campo industriali, con i relativi protocolli di comunicazione, sono oggi molteplici sul mercato. Se in passato si è optato per l’imposizione di uno standard di fatto, oggi la strada che si vuole perseguire è quella dell’interoperabilità, ossia l’indipendenza del fieldbus dalla piattaforma hardware e software su cui è integrato.

Abbiamo sin qui visto una sintesi ed esemplificazione della teoria delle reti, a seguire una panoramica dei principali standard di fieldbus industriali oggi sul mercato.

  • Modbus è un protocollo di comunicazione basato su un'architettura master/slave e client/slave. Si tratta di un protocollo aperto, sviluppato nel 1979 da Gould-Modicon per la comunicazione seriale tra PLC.
  • CANopen è un protocollo di comunicazione seriale di alto livello di tipo “broadcast” che permette il controllo real-time distribuito con un livello di sicurezza molto elevato. Tale bus di campo opera tramite servizi client-server secondo il principio produttore-consumatore. Fornisce oggetti di comunicazione standardizzati: Service Data Objects (SDO), Process Data Objects (PDO), Network Management objects (NMT). La principale applicazione di tale bus di campo si trova nel settore automotive, ma ad oggi la sua presenza è consolidata in diverse realtà industriali come l’ingegneria biomedica, la navigazione marittima, il trasporto ferroviario e l’automazione degli edifici.
  • EtherCAT è un sistema Ethernet per requisiti di hard e soft real time nella tecnica di automazione. Il sistema EtherCAT utilizza il modello master/slave per lo scambio di dati. Il master invia i dati in uscita allo slave, mentre lo slave mette a disposizione del master i dati in ingresso. EtherCAT trova applicazione nell’industria dell’imballaggio, nelle presse ad iniezione e nei centri di lavoro CNC.
  • PROFINET è lo standard Industrial Ethernet sviluppato dall'Organizzazione degli utenti Profibus per la tecnologia dell'automazione. Si basa su protocollo Ethernet TCP/IP ed integra la tecnologia PROFIBUS in tutte quelle applicazioni che necessitano di una rapida comunicazione dati via rete Ethernet. A questo proposito, si distingue tra classe Non Realtime (NRT), Real Time (RT) e Isochronous Realtime (IRT).
  • PROFIBUS (Process Field Bus) è un fieldbus universale che trova largo impiego nella tecnologia dell'automazione. Non va confuso con PROFINET, che è uno standard per Industrial Ethernet. Il sistema bus è rapido e aperto, permette di raggiungere una velocità di trasmissione fino a 12 Mbit/s e, grazie alla sua modularità, può essere impiegato nelle più diverse applicazioni.
  • IO-Link (IEC61131-9) è una tecnologia di comunicazione basata su standard aperti che consente lo scambio bidirezionale tra le unità di controllo e i sensori, di cui i dati vengono collettati in un master. Il master IO-Link trasmette i dati su reti, fieldbus o bus di backplane diversi, rendendoli accessibili per utilizzarli immediatamente oppure per eseguire analisi sul lungo termine, tramite un controller, ad esempio un PLC o un'interfaccia HMI.
  • HART (Highway Addressable Remote Transducer) è uno standard di comunicazione aperto, un sistema di comunicazione digitale bidirezionale per dispositivi di controllo di processo, basato su architettura master - slave. Rappresentando un’estensione del convenzionale segnale analogico, permette di gestire in maniera remota la lettura di variabili e diagnostica, oltre alla configurazione dei parametri di un dispositivo, mediante un segnale digitale di comunicazione sovraimposto alla corrente di uscita.
  • L’Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) è lo standard di interoperabilità per eccellenza del tipo M2M (Machine to Machine) sviluppato dalla OPC Foundation. Uno dei principali vantaggi del nuovo standard OPC UA risiede nell’indipendenza dello stesso dalla piattaforma software. Fondamentale è poi l’aspetto legato alla Security che prevede procedure di autenticazione e autorizzazione, nonché crittografia e integrità dei dati tramite scambio di firme. Grazie alla sua flessibilità e scalabilità, l’OPC UA trova largo impiego in diversi settori come l’automotive, il food & beverage, l’oil & gas, energia e servizi, il packaging, l’automazione di edifici e così via.
    Nell'articolo "HYDAC KineSys: Motion Control e Edge Computing" le soluzioni per il controllo intelligente del movimento avvengono tramite l'applicazione del protocollo OPC UA.

Nel mondo industriale convivono numerosi protocolli che differiscono tra loro per le tecnologie utilizzate, le prestazioni, le modalità di accesso e la loro applicazione negli ambienti industriali. La comunicazione industriale deve abilitare sistemi in grado di interconnettere macchinari con i principali bus di campo al fine di far comunicare al meglio i dispositivi presenti all'interno di una macchina o di un impianto, così da adottare una produzione integrata e smart in ottica fabbrica 4.0.

 

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