Scegliere il giusto protocollo Ethernet industriale

di Vibhoosh Gupta

Le applicazioni di automazione industriale si basano sulla connettività dai livelli più bassi a quelli più alti. Le connessioni di campo più basilari sono i punti di I/O cablati, che nel corso degli anni sono stati integrati e poi sostituiti dai bus di campo industriali. Per le comunicazioni tra gli elementi di automazione di livello superiore sono più adatti reti e protocolli di altro tipo.

Nell’ultimo decennio, un progresso significativo è stato il crescente utilizzo di Ethernet per la connettività industriale. Ethernet è emersa come un chiaro leader su molte altre opzioni, ma anche se questo sembra semplificare il problema, gli utenti finali devono comunque scegliere i protocolli Ethernet industriali giusti.

Gli impianti possono richiedere più protocolli a seconda dell’applicazione e del luogo in cui ogni protocollo deve essere utilizzato all’interno dell’architettura di un sistema di automazione. Alcuni protocolli Ethernet industriali hanno radici profonde e sono maturi, ma molti altri incorporano concetti legacy tutt’altro che ideali.
Altri protocolli sono ottimizzati per applicazioni specifiche, come i movimenti ad alta velocità. Ai livelli superiori delle architetture di automazione industriale, dove si trova la rete di stabilimento sopra la rete dei controllori, ci sono requisiti specifici che guidano la selezione del protocollo, con un’enfasi diversa rispetto alle reti dei dispositivi di campo e alle reti degli I/O di livello inferiore.

Nelle reti a livello di impianto molti sistemi diversi interagiscono tra loro, richiedendo un protocollo di rete sicuro in grado di fornire ricchi oggetti contestuali in modo da rendere disponibili i dati grezzi come informazioni utili. Questo articolo spiega perché l’OPC UA è un protocollo industriale da considerare per ottenere queste funzionalità in una rete a livello di impianto. Il set di funzionalità dell’OPC UA lo rende un protocollo efficace per la connessione di supervisione all’Internet industriale.

Costruire una rete di impianto

I sistemi di automazione industriale sono composti da molti dispositivi e componenti connessi o collegati in rete tra loro. I dispositivi di campo – come sensori, attuatori e sistemi intelligenti – sono collegati ai controllori. Questi controllori programmabili (PLC) e controllori di automazione programmabili (PAC) monitorizzano e comandano i dispositivi di campo, comunicano tra loro e sono collegati in rete a sistemi di livello superiore per compiti di interfaccia uomo-macchina (HMI), controllo, supervisione e acquisizione dati (SCADA), storicizzazione, analisi e altri (Figura 1).

Figure 1: Schema dei livelli dei sistemi di automazione industriale e controllo.
L’architettura dei sistemi di automazione industriale e controllo è composta da molti livelli di dispositivi e reti.

 

Le gerarchie delle reti industriali sono definite da molte caratteristiche e non hanno sempre una definizione precisa perché alcuni livelli di rete possono essere virtualizzati o compressi nella stessa rete fisica. Qui sotto è ripostata una rappresentazione dei livelli rilevanti che devono essere collegati in rete all’interno di un impianto industriale:

• Livello 4: Pianificazione aziendale & logistica
• Livello 3: MES, per la supervisione del sito
• Livello 2: HMI e SCADA, controllo di supervisione
• Livello 1: Controllo di automazione tramite PLC e PAC locali
• Livello 0: Sensori, dispositivi e reti di campo

I controllori possono interagire con i dispositivi di campo (e tra loro) ai Livelli 0 e 1 utilizzando I/O cablati, reti bus di campo ed Ethernet industriale. Queste connessioni sono locali di un sito e sono generalmente costituite da piccoli pacchetti di dati che devono essere comunicati rapidamente perché i dispositivi fisici devono essere controllati direttamente in tempo reale.

Le comunicazioni sopra e tra i controllori hanno esigenze diverse. Le reti industriali che collegano i Livelli 1 e superiori sono talvolta denominate collettivamente reti a livello di impianto. Rispetto alle comunicazioni di livello inferiore, i pacchetti di dati a livello di impianto possono avere requisiti di tempo meno rigorosi.

Le reti a livello di impianto interconnettono sistemi molto diversi rispetto ai livelli inferiori, più dedicati. Ciò impone nuovi requisiti per le moderne comunicazioni di rete a livello di impianto industriale:

• Sicurezza: Dotate di funzionalità di sicurezza incorporate
• Contestualizzazione e Orientamento agli oggetti: Capacità di definire ed organizzare i dati trasportati
• Indipendenza dalla Piattaforma: Permettere alle applicazioni distribuite di comunicare senza ostacoli

Come notato in precedenza, Ethernet è diventata la rete fisica preferita. Questo vale sia per le applicazioni informatiche (IT) di impresa e commerciali, sia per i sistemi di tecnologia delle operazioni industriali (OT). Dal punto di vista fisico, Ethernet può funzionare utilizzando fili di rame, la fibra ottica e anche metodi wireless. Ciò che differenzia davvero Ethernet per l’uso nelle applicazioni IT e OT sono i diversi protocolli di comunicazione che si basano su Ethernet.

Protocolli

L’adattamento di Ethernet per l’IT commerciale alle applicazioni OT industriali presenta alcune sfide. Ethernet può assumere un ruolo centrale nelle reti di campo OT in base alla disponibilità di buone scelte di protocolli come ProfiNET, Ethernet/IP e molti altri.

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