PROGETTAZIONE DELL'AUTOMAZIONE INDUSTRIALE:
INTERFACCIARE GLI IMPIANTI

Fabbrica con molti macchinari da interfacciare

Come si progetta l’interfacciamento tra impianti nell’automazione industriale? Come scegliere i tipi di segnale da impiegare, i protocolli di comunicazione, e le reti da sfruttare?

Benvenuto sulle mie pagine dedicate all’automazione, oggi parliamo esattamente di interfacciamento, dato che a partire dall’avvento dell’industria 4.0, mettere in comunicazione impianti e sistemi di natura diversa è diventato ancora più importante.

Novità automazione e plc

Chi si occupa di progettazione nell’industria automatizzata, non può non conoscere i sistemi di comunicazione messi oggi a disposizione dalla tecnologia e dalle apparecchiature presenti sul mercato.

La comunicazione può avvenire su diversi piani, a partire da quello prettamente hardware, fino a quello che impiega layers software di alto livello. Vediamo nei prossimi paragrafi i principali metodi per interconnettere gli impianti e i macchinari, partendo proprio dal sistema più elementare, quello dei segnali cablati.

1. Comunicazione tra impianti con segnali cablati.

Il metodo più immediato quando si devono far colloquiare sistemi diversi come PLC di differenti linee di produzione, oppure della stessa linea di produzione ma in aree diverse, è quello dei segnali (soprattutto digitali) cablati sfruttando multi cavi.

Questo tipo di interconnessione è sicura e robusta, a patto di rispettare gli accorgimenti relativi alle interferenze elettriche ed elettromagnetiche.

Nell’immagine seguente troviamo lo schema hardware di collegamento per la comunicazione di alcuni segnali tra due PLC, relativi alla richiesta e l’invio di un prodotto da un impianto all’altro.

Schema di collegamento per interfaccia impianti cablata con ingressi e uscite tra 2 PLC

1.1. Esempi di applicazione dei segnali digitali cablati.

a) I segnali digitali cablati si utilizzano per lo scambio di segnali come lo stato di pronto da parte di un macchinario, la richiesta di qualcosa (per esempio di invio prodotto), la conferma della marcia in corso, il riconoscimento o il reset di allarmi.

b) Più raramente questi segnali vengono impiegati per comunicare dati numerici, in questo caso è necessario convertire il numero per esempio da decimale a binario, e inviare i singoli segnali in maniera contemporanea, sfruttando altri segnali per sincronizzare i dati. Nel partner di comunicazione avviene poi la decodifica dei singoli bit per ricomporre il numero inviato.

Nella figura che segue vediamo un sistema di scambio di numeri con multiplexer, quest’ultimo permette, attraverso l’utilizzo di una variabile indice, di inviare diversi dati sfruttano un solo canale, in questo caso 16 bit.

Interfaccia con multiplexer
1.2 Pro e contro della comunicazione con segnali cablati.
Sebbene questo sistema sia sicuro e stabile, presenta anche degli inconvenienti, vediamo intanto quali sono i vantaggi:
a) Collegamento semplice: basta portare un cavo da un quadro elettrico all’altro e collegare i fili seguendo lo schema elettrico.

b) Software necessario di facile creazione: se si scambiano segnali digitali, questi vengono testati semplicemente utilizzando per esempio contatti aperti e chiusi nel linguaggio ladder del PLC.

c) Sistema universale: il collegamento cablato funziona anche tra apparecchiature molto diverse tra loro.
Soprattutto quando ci si interfaccia con quadri elettrici datati, il metodo cablato rappresenta ancora oggi in molti casi l’unica scelta possibile.

d) Separazione degli impianti: ogni quadro utilizza la sua alimentazione del segnale, che viene restituita sugli ingressi attraverso dei contatti puliti; questo assicura che non ci siano interferenze e malfunzionamenti, dato che ogni quadro può avere un potenziale elettrico differente. In effetti l’utilizzo dei contatti puliti rende i due quadri isolati.

Vediamo ora gli svantaggi di questo metodo:
a) Per collegamenti di lunghe distanze è necessario portare dei cavi lunghi, e lungo tutto il percorso i segnali potrebbero essere soggetti a interferenze. Per limitare i disturbi si utilizzano cavi schermati.

b) Numero di cavi da collegare direttamente proporzionale al numero di segnali da scambiare, ogni segnale da aggiungere richiede un conduttore aggiuntivo.

c) Quantità di informazioni trasmissibili limitato: dato che ogni scheda di ingresso o uscita dei PLC può avere massimo 32 punti, per trasmettere molti segnali è necessario installare diverse schede.
Nel caso poi in cui si volesse trasmettere dei numeri, il sistema diventa davvero limitato. Per esempio, dato che un numero intero solitamente necessita di 8 o 16 bit per essere rappresentato in binario; si rende necessario impiegare un intera scheda per trasmettere da 2 a 4 numeri.

d) Comunicazione punto a punto, con soli due partners: con il cablaggio non è possibile collegare più di due interlocutori.

e) La comunicazione è cablata e non può essere trasformata o accoppiata con sistemi radio come il WI-FI; questo tipo di interconnessione infatti rimane completamente isolata dal resto dell’impianto, e soprattutto dall’esterno della fabbrica.

2. Comunicazione tra impianti con segnali di rete.
Negli ultimi anni, lo sviluppo delle reti industriali che sfruttano il mezzo fisico Ethernet ha permesso di aumentare le possibilità di interconnessione basate su rete, a discapito dei metodi basati su segnali cablati.
Gli impianti moderni vengono oggi progettati includendo interfacce di rete, molto spesso prevedendo reti separate per il controllo di processo (connessione tra PLC, basi remote e apparecchiature da campo), e per i sistemi di monitoraggio SCADA o HMI.
Ecco nell’immagine che segue una rete d’automazione con tre dispositivi di monitoraggio, tre PLC, diverse basi I/O remote, e apparecchiature da campo.
Impianti interfacciati in rete
2.1. Esempi di applicazione dei segnali di rete.
Gli impianti scambiano via rete in pratica gli stessi segnali che si possono scambiare con il sistema cablato, tuttavia la rete permette di inviare e ricevere molti dati, oltre che strutture di dati complesse, per meglio rappresentare il tipo di informazione che viene trasportata.
Su una rete non è necessario convertire i dati, si trasmettono direttamente words, e queste possono essere interpretate a bit, come parole nel loro complesso, oppure combinate per i dati più grandi; per esempio due parole per un numero reale con virgola mobile.

2.2 Pro e contro della comunicazione via rete.
Anche se oggi la comunicazione via rete è molto utilizzata, la sua realizzazione ha dei vantaggi e degli svantaggi, vediamo quali sono i vantaggi:
a) Possibilità di invio di molti dati anche di tipo complesso.

b) Cablaggio per l’interconnessione semplificato, quasi sempre basta un solo cavo con due fili (reti seriali come la PROFIBUS), oppure il classico cavo ETHERNET con 4 coppie di fili incrociati.

c) Numero di segnali scambiabili indipendente dal cablaggio, per aggiungere nuovi segnali si modifica solo il software.

d) Comunicazione multi punto tra molti partners, a seconda del tipo di rete si possono mettere in comunicazione tra loro anche centinaia di interlocutori.

e) Sistema di comunicazione aperto: una rete, soprattutto se parliamo di reti ad alto livello, è un sistema che può essere espanso facilmente con switches, e può essere ampliata anche con WI-FI, sia all’interno della fabbrica, che al di fuori di questa attraverso Internet.

Per quanto riguarda invece gli aspetti svantaggiosi di questo sistema abbiamo:
a) Impiegare una rete comporta che le apparecchiature debbano essere tutte in grado di interfacciarsi con il tipo di rete scelto, per esempio due PLC connessi devono avere entrambi una porta PROFINET, e soprattutto avere istruzioni al loro interno per gestire la comunicazione con gli stessi protocolli (metodi).
Nel caso di sistemi con reti di diverso tipo, è necessario installare dei gateways per accoppiare le reti.

b) Essendo un sistema aperto, una rete può essere soggetta a malfunzionamenti, soprattutto quando ci sono molte apparecchiature connesse di tipo diverso, e quando alcune di queste continuano a trasmettere pacchetti di informazioni rallentando tutta la comunicazione (flooding).

c) Le reti ad alto livello necessitano di sistemi di sicurezza per evitare attacchi, per questo si devono mettere in atto strategie anti intrusione, impiegando per esempio firewall e crittografia dei dati.

Ricordiamo che una stessa rete ETHERNET può ospitare controllori, apparecchiature, sistemi di supervisione industriale, ma anche computers, servers, e qualsiasi altro dispositivo che può essere collegato in maniera cablata, oppure con il WI-FI.
Ecco nell’immagine che segue una tabella che riassume le caratteristiche dei due metodi di connessione tra impianti.
Tabella confronto tipi di interfaccia impianto

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