Comunicazioni industriali

Progettare comunicazioni M2M per applicazioni industriali.

Comunicazioni M2M per applicazioni industriali

Perchè le comunicazioni industriali richiedono protocolli diversi?

Industry 4.0 sarà anche l'argomento top del momento, ma le macchine industriali hanno comunicato tra loro per decenni. Le comunicazioni M2M (Machine to Machine) nel controllo di processo, nella produzione automobilistica, nella robotica e nell'industria alimentare permettono di ottenere notevoli incrementi in efficienza e affidabilità.

Dal capire come operano le macchine e dal permettere di comunicare tra loro possiamo ottenere un significativo incremento di efficienza e una maggiore integrazione dei sistemi per soluzioni end-to-end.

Velocità maggiori – Per quanto tu possa essere veloce a parlare, le macchine lo sono di più. Capire come operano tra loro le macchine all'interno di un network, con i loro carichi e la banda passante, porta ad aumentare la velocità di produzione. Attraverso reti deterministiche in tempo reale e analisi di sistema, tutto funziona nel suo insieme per ottimizzare la produzione.

Qualità e controllo – Grazie ad una serie di sensori disposti lungo l'intero processo, ogni elemento della produzione può essere monitorato più da vicino. Con i sensori che diventano sempre più accurati e una capacità di visione delle macchine più acuta, le temperature dei forni possono essere mantenute più costanti, i bracci robotici possono operare con maggior precisione e i difetti possono essere isolati e rimossi in modo più efficiente.

Manutenzione preventiva – Così come la tua automobile può avvertirti quando necessita di manutenzione, così possono fare anche i macchinari industriali. Che sia legata al numero di ore di funzionamento o ad avvisi riguardanti guasti imminenti, la comunicazione industriale riduce i tempi di fermo macchina permettendo una pianificazione della manutenzione, invece che richiedere una riparazione di emergenza.

Integrare questo livello di comunicazione significa dover applicare soluzioni complesse, dato che i sistemi per automazione si evolvono e i clienti si aspettano alti livelli di comunicazione tra le macchine, una massiccia presenza di elettronica diventa essenziale. Le comunicazioni in tempo reale dai PLC fino ai convogliatori e verso altre periferiche industriali diventano sempre più intelligenti, con soluzioni sempre più compatte, flessibili e affidabili.

Per supportare le condizioni gravose degli ambienti industriali è necessario fare alcune cosiderazioni riguardo alle varie soluzioni. Nel caso delle comunicazioni wireless queste considerazioni devono essere particolarmente chiare.

Installabili sul campo – Per ridurre i fermi macchina e poter eseguire manutenzione e riparazioni, tutti i dispositivi connessi alla rete devono essere del tipo Hot Swap, ovvero possono essere aggiunti o rimossi dalla rete mentre il sistema è funzionante. Questo significa anche che ogni comunicazione richiede un certo grado di "handshaking" e di prioritizzazione dei messaggi da parte del network.

Alta affidabilità – Per la sicurezza del sistema e la gestione delle criticità è importante avere comunicazioni affidabili, sincronizzate e non soggette a frequenti interruzioni o a messaggi non recapitati. Qualsiasi problema di comunicazione si traduce in una situazione che impatta la sicurezza dell'intero sistema.

Robustezza – Le applicazioni industriali sono spesso esposte a condizioni ambientali particolarmente difficili, come la presenza di polveri, liquidi, alte temperature e pressioni, alte tensioni. In questi casi, connettori e contenitori devono soddisfare un grado di protezione IP69, mentre per la protezione da alte tensioni, transienti e cortocircuiti è necessario provvedere ad un isolamento uguale o superiore a 5 kV.

Schermatura EMI – Le interferenze elettromagnetiche (EMI) da induzione, accoppiamento o conduzione in ambiente industriale possono provenire da motori, cablaggi o inserzione carichi. Le interferenze EMI possono interrompere i segnali o causare la trasmissione di messaggi errati, rendendo preferibile una connessione cablata rispetto ad una wireless, più suscettibile alle interferenze.

Che cos'è il protocollo di comunicazione HART?

Il protocollo HART (Highway Addressable Remote Transducer) è stato rilasciato nel 1986 come protocollo open. Nonostante siano passati 30 anni e la presenza di Industrial IoT e Industry 4.0, mantiene ancora oggi una posizione di rilievo.

Utilizzando lo standard FSK (Frequency Shift Keying), il protocollo HART dispone di un segnale digitale addizionale a basso livello. HART trasporta informazioni digitali bidirezionali su cavi analogici provenienti da sensori e strumenti verso processi e sistemi host, controlli di sicurezza e di attività. Per trasportare informazioni critiche in modo affidabile, i segnali analogici 4-20 mA veicolano i segnali dei sensori, mentre informazioni meno critiche sono trasportate dai segnali digitali, risultando in una soluzione di comunicazione robusta e di facile configurazione.

Che cos'è il protocollo EtherCAT?

EtherCAT è basato sul familiare standard Ethernet ma aggiunge una maggiore flessibilità. Con ampio margine, EtherCAT è la più veloce tecnologia di comunicazione utilizzata nelle applicazioni industriali, permettendo sincronizzazioni nell'ordine del nanosecondo, con enormi vantaggi rispetto ad altri protocolli. La velocità e l'accuratezza di EtherCAT permettono di ridurre i tempi di attesa e di transizione del sistema, aumentando l'efficienza del sistema stesso.

Diversamente da Ethernet, le reti EtherCAT non richiedono hub o switch e dispositivi di rilevamento automatico dei link possono essere aggiunti e rimossi alla bisogna. Questo permette una completa flessibilità sulla topologia e la struttura della rete. Per applicazioni critiche di sicurezza lo standard FSoE (Functional Safety over EtherCAT) risponde ai requisiti per sistemi SIL3 ed è approvato per dispositivi certificati TUV. EtherCAT permette di ottenere un sistema di comunicazione veloce e robusto a prezzi convenienti e, senza la necessità di schede specifiche, può essere implementato velocemente e facilmente con microcontrollori e FPGA.

Cosa sono Profinet e Profibus?

Come EtherCAT, Profinet è una versione modificata di Ethernet per l'uso in applicazioni industriali, comunque simile alla versione presente in casa o in ufficio. Per queste similitudini, può essere utilizzato con hub, switch e via WLAN o Bluetooth per reti wireless e dispositivi mobili. Quindi, sebbene sia vincolato da un setup basato su tipologie di reti tradizionali, la flessibilità di interfacciamento con dispositivi standard assicura a PROFINET il successo come rete di comunicazione per applicazioni industriali, con oltre 9,8 milioni di dispositivi connessi alla fine del 2014.

Profibus è il più prolifico tra gli standard di comunicazione industriale, un protocollo fieldbus indipendente dall'applicazione con oltre 50 milioni di dispositivi installati alla fine del 2014. Profibus viene normalmete trasmesso tramite RS-485 via coppie di cavi twistati, con bassi costi di implementazione e possibilità di operare su lunghe distanze in ambienti con disturbi elettrici, rendendolo ideale per l'utilizzo in applicazioni industriali.

Che cos'è il protocollo CAN?

Il bus Controller Area Network, o CAN, si trova normalmente nelle auto e nei veicoli per la sua capacità di comunicare senza la necessità di un controller centrale. Non è un protocollo di comunicazione in tempo reale, ma è ideale per una implememtnazione a basso costo tra microcontrollori. Grazie alla sua semplicità, all'ampia disponibilità e robustezza (rispondendo alle stringenti specifiche dell'industria automotive), CAN ha trovato la sua collocazione nelle applicazioni industriali.

La necessità di isolamento

Gli ambienti industriali sono intrinsicamente rumorosi a livello elettromagnetico. Con motori e linee ad alta tensione vicini a componenti elettroniche delicate è importante che queste siano adeguatamente protette. Isolando le connessioni otticamente o digitalmente si rende impossibile che transienti ad alta tensione possano danneggiare componenti più adatti a 5 V anziche 1 kV.

Gli isolatori ottici e digitali creano una barriera fisica all'interno di un IC impedendo ai transienti di raggiungere le elettroniche ma permettendo il transito dei segnali utili. Gli isolatori digitali rappresentano un'alternativa ai tradizionali fotoaccoppiatori, grazie ad un'elevata affidabilità, lunga durata e integrità dei dati fino a oltre 10 kV.