Business su INDUSTRY 4.0 Business su INDUSTRY 4.0 Business su INDUSTRY 4.0 La tecnologia Fieldbus nell'automazione industriale non è solo abbastanza complessa a causa delle varie soluzioni concepibili, ma anche a causa dell'assortimento di applicazioni. Numerose reti di bus di campo continuano a dettare l'automazione industriale e il controllo di processo. L'articolo discute le classificazioni dei bus di campo e come l'ascesa dell'IIoT e le nuove possibilità di connettività con wireless ed Ethernet stiano alterando la scena del protocollo.

Ci sono molti, alcuni potrebbero dire troppi, bus di campo in uso negli impianti di produzione. Il termine fieldbus definisce un metodo di connettività tra gli elementi essenziali in aree geograficamente delimitate, come uno stabilimento di produzione o una fabbrica.

Usiamo Ethernet LAN per tutta la nostra normale connettività nei nostri uffici, quindi perché gli impianti di produzione non seguono la stessa tendenza? Nell'era dell'Industria 4.0, in cui la connettività è un elemento fondamentale e l'IIoT è su ogni agenda, quanto sono rilevanti i bus di campo? Se ci sono così tanti bus di campo, come fanno gli elementi di controllo a dialogare tra loro? In altre parole, come viene affrontato il serio tema dell'interoperabilità?

L'obiettivo originale del bus di campo era sostituire qualsiasi collegamento punto a punto tra sensori e PLC, CNC o altri controllori. Il bus di campo definisce le caratteristiche elettriche della connessione e anche il protocollo. Con i moduli elettronici flessibili è diminuita l'attenzione alle caratteristiche elettriche ed è aumentata l'attenzione ai protocolli.

Caratteristiche elettriche, protocollo e standardizzazione
I bus di campo possono essere classificati in base a diverse caratteristiche o caratteristiche. Principalmente, si verifica la velocità (bit-rate), il numero di nodi consentiti (master singolo, multi-master), la flessibilità nella topologia (lineare, multidrop, ad anello, ad albero, a stella), maggiore disponibilità (ridondanza), metodi di dati acquisizione (polling, ciclico, evento avviato), come aggiungere nuovi nodi (ripristino del sistema, al volo), come viene rilevato il fall-out di uno o più nodi e procedure di ripristino corrispondenti e così via.

Il protocollo di comunicazione è l'insieme di regole che definiscono i diversi elementi di sintassi e la 'grammatica' - la posizione degli elementi, i valori ammessi e il significato degli stessi. Seguendo un protocollo, è possibile avviare una comunicazione, contrassegnare errori di comunicazione, rilevare una comunicazione interrotta e riprendersi dall'interruzione. Inoltre, più di ogni altra cosa, i protocolli di comunicazione dovrebbero essere comuni tra i fornitori, per facilitare il lavoro di manutenzione e ricambi. Eppure, il mondo dei bus di campo è una vera e propria Torre di Babele, e le specie e le sottospecie dei protocolli possono essere facilmente paragonate all'albero zoologico, per lo più non del tutto compatibili tra loro.

Perché ci sono così tanti bus di campo?
A causa dell'ampia varietà di aree di applicazione e della domanda altrettanto varia sulle proprietà, è nato un gran numero di bus di campo. I produttori hanno definito e sviluppato i propri protocolli per ottenere le migliori prestazioni dai propri prodotti.

Le varie aree di applicazione sono gli impianti di processo, la produzione discreta, l'automazione degli edifici e, in misura minore, l'automazione della sicurezza. Sottospecie sono emerse da settori specifici, come la produzione di energia, petrolio e gas, automobili, birrerie e così via. L'area dei sensori (questo è stato chiamato "campo" e da qui il nome, bus di campo), aveva i propri bus.

Ethernet domina
Con la diffusione universale di Office LAN, Ethernet ha ottenuto una posizione di predominio nelle reti. È importante ricordare che lo standard ethernet non è un protocollo completo. Nella sua forma base, Ethernet non è nemmeno un protocollo deterministico. Tuttavia, con l'aumento della velocità (bit rate), questi svantaggi sono stati superati da diversi produttori. I protocolli famosi a questo livello sono PROFINET, Modbus / TCP, EthernetPOWERLINK, EtherCAT, DeviceNet e molti altri. Ora possiamo arrivare a una situazione in cui tali sistemi bus possono diventare una soluzione omogenea in tutto l'impianto, dai sensori ai terminali di gestione.

Raggiungere l'interoperabilità
Mentre continuiamo a intonare, ci sono troppi protocolli per il comfort. Ma essenzialmente ciò che si desidera è l'interoperabilità. Ciò significa che indipendentemente dal bus che funge da spina dorsale nell'impianto, dovrebbe esistere la libertà di acquistare e connettere un dispositivo da qualsiasi fornitore e il sistema dovrebbe essere in grado di comunicare con questo nuovo dispositivo e viceversa.

La cosa interessante di questo è che l'interoperabilità può essere raggiunta a diversi livelli. Qui prendiamo un modello di riferimento da ISO, il famoso modello a 7 strati. Lo stack di comunicazione è suddiviso in sette livelli, uno standard chiamato The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection. Inoltre, possiamo mostrare l'interoperabilità per due dispositivi su uno o più dei sette livelli. Il compito della conversione del protocollo viene spostato al livello successivo superiore.

Protocolli standard
Durante il periodo, sono stati fatti molti tentativi per arrivare a un protocollo standard. Ciò ha dato origine a molti protocolli "standard": protocolli standard dei fornitori, protocolli standard degli acquirenti, protocolli standard del corpo industriale. Alcune organizzazioni, di solito consorzi di produttori di fornitori, hanno sviluppato degli standard, ovvero un accordo tra i loro membri. Nella natura delle cose, questi membri, dopo aver raggiunto un accordo, sono andati avanti e, durante l'implementazione, hanno fornito funzionalità aggiuntive per offrire vantaggi speciali. Sfortunatamente, questi componenti aggiuntivi impediscono la completa interoperabilità.

Un altro approccio proveniva da grandi aziende o comunità di utenti. Hanno definito gli standard che hanno cercato di obbligare tutti i loro fornitori a seguire. Tuttavia, poiché diversi gruppi di produttori hanno definito gli standard in base alla loro area di applicazione, ciò non ha comportato alcuna riforma importante.

Protocolli aperti e focus dell'Industria 4.0
Un approccio diverso consiste nel fornire l'intero stack di protocolli nel pubblico dominio. Con questo, ogni produttore ha la possibilità di incorporare la compatibilità nei suoi dispositivi con un tale protocollo, senza dover pagare alcuna licenza o royalty. L'approccio open source ha molti seguaci entusiasti. Ma se i produttori spingessero le funzionalità aggiuntive in cima a questa definizione, ancora una volta abbiamo qualche incompatibilità.

Inoltre, l'Industria 4.0 è una nuova era nella produzione e negli affari. L'obiettivo di oggi è estrarre valore dai dati per vari scopi. Una strategia importante è l'aggregazione di dati da varie fonti e la registrazione insieme al contesto di creazione dei dati.

Interazione con i sistemi di dati
In quest'era di Industria 4.0, siamo affamati di dati. Il requisito dei dati per questi scopi è molto diverso dalle richieste deterministiche in tempo reale di funzionamento e controllo. Tuttavia, le fonti di dati sono quasi le stesse e quindi dovremmo vedere molti cambiamenti nei tempi a venire. Poiché l'Industria 4.0 pone un forte accento sulla collaborazione end-to-end lungo la catena del valore, è necessario sviluppare modi migliori per condividere i dati.

L'emergere dell'Industrial Internet of Things (IIoT) e nuove possibilità di connettività con wireless ed ethernet stanno cambiando il panorama dei protocolli. Il nuovo valore nell'integrazione di cloud aziendali pubblici e privati, sistemi operativi e domini aziendali presenta nuove opportunità per l'armonizzazione dei protocolli negli ambienti industriali. L'implementazione del wireless in officina è nelle fasi iniziali. Sono già emersi numerosi protocolli, come LoRA, ZigBee, Wireless HART ecc.


OPC-UA e oltre
OPC Unified Architecture (OPC UA) colma il divario tra il mondo IT basato su IP e il reparto di produzione. Interfacce, gateway e la conseguente perdita di informazioni appartengono al passato perché tutti i dati del processo di produzione vengono trasferiti tramite un unico protocollo: all'interno di una macchina, tra macchine o tra una macchina e un database cloud. OPC UA sta eliminando la necessità di sistemi fieldbus tradizionali a livello di fabbrica. I fatti chiari come la facile implementazione, l'apertura, l'indipendenza dal fornitore, l'eliminazione dei rischi, la conformità, l'interoperabilità, la disponibilità a lungo termine e la distribuzione complessiva che fanno sì che OPC UA ottenga l'accettazione nei settori di oggi.

Fino ad ora OPC UA ha avuto i suoi limiti quando si tratta di processi complessi con requisiti in tempo reale. L'adozione del modello di pubblicazione-sottoscrizione (pub / sub) e l'implementazione dello standard IEEE 802.1 per il networking time-sensitive (TSN) mirano a fornire capacità in tempo reale allo standard di comunicazione OPC UA.

La legge di Moore è in vigore da quasi quarant'anni e non mostra segni di rilassamento. All'orizzonte ci sono comunicazioni 5G, banda larga satellitare e rapidi progressi nel calcolo. Una combinazione di tutti questi, con l'intelligenza artificiale che assiste lo sviluppo, cambierebbe il modo in cui avvengono le comunicazioni: tra sensori, macchine, macchine e esseri umani e, chissà, esseri umani e umani.
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