Quali sono i principali protocolli Industriali per il monitoraggio degli impianti?

Come l’intelligenza artificiale ci permette di pensare più in grande alla manutenzione predittiva degli impianti

Creato: 09 Lug 2019 Scritto da Andrea Cadei

Oggi molti addetti ai lavori parlano di interconnessione di macchinari industriali con software e piattaforme di gestione, monitoraggio e controllo degli impianti, ma a cosa fanno riferimento esattamente?

Questo articolo è stato pubblicato originariamente nel sito https://www.toolsforsmartminds.com/it/insight/blog/240-protocolli-industriali-i-principali-per-il-monitoraggio-degli-impianti

Introduzione

Con questo articolo proviamo a fare un po’ di chiarezza nella Babele dei protocolli di comunicazione industriali, la condicio sine qua non per l’interconnessione e lo scambio dati. Infatti, alla base dell’interconnessione tra un macchinario e un software, c’è necessariamente un protocollo di comunicazione.

Nella maggior parte delle aziende (piccole, medie o grandi che siano) il parco macchine è estremamente variegato. Capita spesso di vedere all’interno di un’azienda macchinari di età, fornitori e tecnologie differenti. Tale eterogeneità richiede spesso l’utilizzo di protocolli di comunicazione diversi rendendo quindi l’operazione di interconnessione complessa e non immediata.

Prima di riportare una carrellata dei principali protocolli industriali, vediamo che cos'è esattamente un protocollo di comunicazione.

Definizione

Un protocollo non è altro che un linguaggio con il quale una macchina, una scheda elettronica, un software o più in generale un dispositivo comunica con il mondo esterno. Esistono centinaia (forse migliaia) di protocolli utilizzati nell'ambito delle reti informatiche, in elettronica e, appunto, nell'industria.

Possiamo pensare a un protocollo come ad una lingua vera e propria. Prendiamo per esempio due possibili interlocutori: un macchinario e un software di monitoraggio dell’impianto. L’unico modo affinché i due si scambino tra loro informazioni (per esempio per conoscere lo stato del macchinario e il numero di pezzi prodotti) è che parlino la stessa lingua. Va da sé che parlare lo stesso linguaggio (utilizzare cioè lo stesso protocollo) è essenziale per permettere a macchinari, dispositivi e software di comunicare tra loro.

Detto così appare molto semplice: basta scegliere un protocollo comune per lo scambio dati e il gioco è fatto. Nella pratica, tuttavia, macchinari e software sono acquistati in momenti diversi ma soprattutto sono realizzati da costruttori e progettisti diversi. Ogni costruttore quindi sceglie arbitrariamente un protocollo per il proprio macchinario. Seppur tale scelta possa vertere su di un protocollo standard, ciò porta alla proliferazione di numerose tipologie di linguaggi praticamente in ogni impianto produttivo.

Il software che scambia informazioni con i macchinari in produzione funge da interprete e deve quindi conoscere tutte le lingue utilizzate dai macchinari interconnessi. A complicare le cose, in alcuni casi neanche troppo isolati, il macchinario utilizza un protocollo non standard, ideato cioè dal costruttore stesso. È come se il macchinario parlasse una lingua o un dialetto che nessun altro conosce. Il software di interconnessione dovrà quindi conoscere il nuovo protocollo per comunicare con quello specifico macchinario. Fortunatamente, negli ultimi anni, la tendenza è quella di muoversi verso protocolli sempre più standardizzati. Avere un unico protocollo industriale adatto a tutte le esigenze sarebbe ambizioso, ma riuscire ad avere un set limitato di protocolli industriali sarebbe, senza dubbio, già un ottimo risultato.

Classificazione dei principali protocolli industriali

Mai come in questi ultimi anni, il mercato dell’industria sta vivendo una forte evoluzione, favorita sia dall'impiego di intelligenza distribuita, sia dalla necessità di far dialogare piattaforme e macchinari differenti.

Vediamo quindi quali sono i principali protocolli che si sono affermati anche a seguito della rivoluzione industriale che stiamo vivendo.

EtherNet / IP

È uno standard industriale aperto che nasce nel 2000 con l’obiettivo di avere un protocollo su Ethernet in grado di rispondere alle esigenze di performance ed affidabilità richieste dal mondo industriale. È un protocollo completo perché supporta il trasferimento di dati I/O basilari, il monitoraggio ciclico e su eventi di cambio di stato [1]. L’accesso alle variabili avviene per nome (TAG).

EtherNet / IP è un protocollo real-time con prestazioni discrete (relativamente al mondo real-time), che comunque si adattano perfettamente al campo del monitoraggio.

È un protocollo ben consolidato nel mercato americano, un po’ meno in quello europeo. Viene spesso utilizzato con i sistemi di controllo Rockwell (PLC Allen Bradley).

Profinet IO

Basato su tecnologia Ethernet standard, Profinet utilizza Ethernet tradizionali per definire una rete con il compito di scambiare dati, allarmi e diagnostica con PLC e altri dispositivi industriali.

PROFINET IO utilizza tre diversi canali di comunicazione per lo scambio di dati con controllori programmabili e altri dispositivi. Il canale standard TCP / IP viene utilizzato per parametrizzazione, configurazione e operazioni di lettura/scrittura acicliche. Il canale real-time viene utilizzato per il trasferimento di dati ciclici standard e gli allarmi. Il terzo canale, Isochronous Real Time (IRT) è il canale ad altissima velocità utilizzato per le applicazioni Motion Control ^[2].

Essendo un protocollo real-time, presenta prestazioni elevate che lo rendono adatto al controllo veloce. I requisiti hardware di Profinet sono spesso restrittivi quando si ha la necessità di utilizzare un dispositivo non real-time. Una necessità frequente nel campo del monitoraggio è quella di collegarsi da un PC con sistema operativo Windows verso il campo. In questi casi, spesso, si preferisce appoggiarsi ad un altro protocollo (magari anche con prestazioni inferiori).

Profinet è utilizzato dai PLC e dispositivi del mondo Siemens.

MTConnect

È uno standard industriale utilizzato per la raccolta dati e il monitoraggio sulle macchine a controllo numerico (CNC). Il protocollo supporta solo la lettura dei dati e non permette quindi di scrivere parametri, ricette o comandi. I dati sono presentati in formato XML.

La prima dimostrazione pubblica di MTConnect è avvenuta all'International Manufacturing Technology Show (IMTS) tenutosi a Chicago nel settembre 2008. Lì, 25 produttori di apparecchiature industriali collegarono in rete i loro sistemi di controllo delle macchine, fornendo informazioni sui processi che potevano essere recuperati da qualsiasi client abilitato al web connesso alla rete^[3].

MTConnect è spesso disponibile su CNC Mazak, Mitsubishi e Mori Seki.

Modbus

È il più longevo tra i protocolli presentati. Nasce infatti nel 1979 dalla Schneider Automation e diventa in breve tempo uno standard de facto. Modbus è implementato su reti Ethernet (ModBus TCP) e su seriale RS 485, 232 e 422 ^[4].

Nel protocollo Modbus, i dati sono organizzati in registri il cui accesso avviene per indirizzo. Il registro è la più piccola entità su cui è possibile effettuare un’operazione di scrittura e lettura. A loro volta, i registri sono organizzati in una serie di tabelle ben precise:

Input register, per operazione di sola lettura su registri numerici.
Holding register, per operazione di lettura e scrittura su registri numerici.
Discrete input, per operazioni di sola lettura su registri booleani.
Coils, per operazione di lettura e scrittura su registri booleani.

Nonostante ci siano protocolli alternativi che presentano prestazioni migliori, il protocollo ModBus è largamente utilizzato perché è open source, ha un basso costo di sviluppo e richiede hardware limitato. Non presenta velocità elevate ma è perfettamente adatto per il monitoraggio dove le velocità richieste sono, appunto, contenute.

ModBus è spesso utilizzato dai dispositivi Schneider ma anche su dispositivi più semplici come sensori di temperatura e per il monitoraggio energetico.

OPC-UA

È un protocollo industriale multipiattaforma e aperto, sviluppato dalla OPC Foundation. Il nome lascia ben sperare. UA infatti sta per Unified Architecture.

OPC UA soppianta il vecchio OPC, mantenendo tutte le funzionalità del suo predecessore. La forza di OPC-UA è senza dubbio la sua flessibilità. Oltre ai PLC dell’ambito industriale, è infatti supportato da Windows, Linux, iOS ed anche Android.

Conclusioni

I protocolli presentati sopra non sono altro che una piccolissima parte del mondo dei protocolli industriali. In questo articolo ci siamo limitati a presentarne i principali soprattutto nell'ottica del monitoraggio. Per completezza di informazione, nel settore industriale esistono altri protocolli ad alta affidabilità e prestazioni (uno su tutti EtherCat) ma che poco si sposano con il monitoraggio di impianti.

Per concludere, è facile intuire che non esiste un protocollo migliore di un altro. Semplicemente, protocolli diversi si adattano ad esigenze, hardware e specifiche di progetto diverse. Nell'ottica di standardizzare la comunicazione e di andare in questa direzione di omogeneità di linguaggio, potremmo considerare OPC-UA un protocollo che strizza l’occhio al futuro grazie alla sua versatilità. È stato, infatti, anche ben accolto dai costruttori di dispositivi industriali (i PLC Siemens di ultima generazione S7-1500 supportano nativamente la comunicazione basata su OPC-UA) e allo stesso tempo è supportato dai principali sistemi operativi.

Abbiamo visto come nel mondo industriale convivano numerosi protocolli che differiscono tra loro per prestazioni e modalità di accesso.

T4SM, grazie ad iDaq, la sua piattaforma di raccolta dati, garantisce l’interconnessione e il monitoraggio degli impianti in modo rapido e semplice. iDaq infatti supporta numerosi protocolli di uso industriale dando anche la possibilità di interconnettere macchinari con protocolli non standard. Grazie a ciò, le nostre soluzioni costituiscono un'unica piattaforma per il monitoraggio di macchinari di costruttori, funzionalità e tecnologie differenti.

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Fonti

[1] https://www.manufacturingtomorrow.com/article/2016/05/5-real-time-ethernet-based-fieldbuses-compared/8044/

[2] https://www.rtautomation.com/technologies/profinet-io/

[3] https://web.archive.org/web/20110727101505/http://mtconnect.org/download/MTConnect%20NEWS%2010_07_08.pdf

[4] http://www.swappa.it/wiki/uploads/Uni/progetto_LR_mcavenaghi.pdf