Si tratta di un argomento al confine con il networking classico, ma l’adozione di Ethernet è alle porte e apre nuovi orizzonti.
Con il termine “bus di campo” si è soliti indicare una categoria di reti
di comunicazione utilizzate nell’ambito industriale per interconnettere dei
dispositivi di campo (attuatori, sensori) e dispositivi di controllo e
visualizzazione (PC, PLC, Workstation). Nella figura 1 è riportato il modello di
un sistema bus di campo applicato con la suddivisione in tre livelli, ciascuno
caratterizzato da una velocità di scambio dei dati diversa. La comunicazione è
di tipo seriale, i dati vengono perciò impacchettati in forma digitale e inviati
sul mezzo trasmissivo. Le topologie specifiche di ciascun bus di campo (anello,
lineare, stella) sono diverse e dipendono da scelte tecniche nella loro
implementazione. Riguardo alle caratteristiche macroscopiche, velocità e raggio
di azione, un bus di campo è simile a una rete LAN (fino a qualche Km e fino a
10 Mbps).
La progettazione della parte elettrica è semplificata
I sistemi bus di campo sono nati inizialmente come metodo per semplificare le esigenze di cablaggio dei dispositivi su impianti o macchine di lunghezza non trascurabile, si sono evoluti nel tempo facendo proprie caratteristiche particolarmente complesse.
Altro beneficio non trascurabile derivante dall’utilizzo di un bus di campo è la semplificazione nella fase di progettazione e realizzazione della parte elettrica dell’impianto. La spinta iniziale all’utilizzo dei bus di campo è stata l’introduzione dei microprocessori all’interno delle apparecchiature di automazione agli inizi degli anni ’80. La spinta derivante dai vantaggi tecnici ed economici ha portato molti produttori a sviluppare delle soluzioni proprietarie. Attualmente i bus di campo consentono di realizzare delle logiche di controllo distribuite (standard IEC1499) dove più controllori coesistono collegati allo stesso bus e si fanno carico di eseguire le logiche di controllo in maniera concorrente e consistente.
Il bus di campo, essendo un sistema di comunicazione seriale utilizzato in un settore ben specifico (quello industriale), deve soddisfare delle specifiche di base ben definite. Nella figura 2 sono riportate le principali esigenze in termini di velocità, raggio di azione nelle applicazioni industriali, emerse da una ricerca di mercato.
La necessità principale è la velocità di rinfresco dei dati provenienti dai sensori ed inviati agli attuatori. I ritardi nella trasmissione devono essere contenuti per evitare che i controllori agiscano su delle variabili non più consistenti con il reale stato del processo sottoposto a controllo. Un bus di campo deve prevedere un meccanismo che consenta di raccogliere i dati tutti nel medesimo istante temporale (coerenza temporale) per poter agire su immagini consistenti del processo.
Nel caso di un controllo distribuito ho bisogno anche di una “coerenza spaziale”, il valore di una stessa variabile deve essere identico nello stesso istante in controllori diversi che la utilizzano. I bus devono permettere la interoperabilità tra apparecchiature provenienti da fornitori diversi. È importante anche la possibilità di inviare particolari messaggi quando avviene un particolare evento (per esempio un allarme) e quindi con il minimo ritardo temporale. I costi delle interfacce di comunicazione non deve essere proibitivo. Per particolari settori od ambienti (pericolo di esplosione, ridondanza e così via) sono previsti degli ulteriori meccanismi che soddisfano a specifiche più complesse e settoriali.
Corrispondenza Modello ISO/OSI
Divisi tra standard e proprietario
I bus di campo attualmente utilizzati sono suddivisi tra bus di campo proprietari e bus di campo standard. Con il primo gruppo si indica una serie di soluzioni ideate e proposte da singoli fornitori che hanno privilegiato caratteristiche di economicità o prestazioni, rispetto all’apertura ed alla interoperabilità.
L’utilizzatore in questo caso si vede costretto a utilizzare stazioni provenienti tutte dallo stesso fornitore, chiaramente con grosse limitazioni nel tipo di apparecchiature disponibili (ad esempio Ingressi/Uscite, Encoder, Attuatori, Sensori, Terminali Operatore e così via). I bus standard sono quelli che, invece, hanno visto il loro inserimento all’interno di normative internazionali. Questo dà delle garanzie sia in termini di bontà della soluzione tecnica, di apparecchiature disponibili sul mercato, di interoperabilità tra le stesse e soprattutto in termini di disponibilità delle stesse nel tempo. Tale esigenza di standardizzazione è nata nel tempo dalle richieste provenienti dagli utilizzatori finali.
La norma principale relativa ai bus di campo è la IEC 61158 che raccoglie otto bus di campo TS IEC, ControlNet, FF HSE, SwiftNet,PROFIBUS, WorldFIP, P-Net, InterBus. Questi bus oltre ad essere caratterizzati da specifiche tecniche diverse sono anche curiosamente caratterizzati da una diversa distribuzione geografica.
Vicini al modello ISO/OSI con Ethernet all’orizzonte
Dal punto di vista tecnico i bus di campo nella maggior
parte dei casi aderiscono nella loro implementazione al modello ISO/OSI, ma con
l’utilizzo dei soli livelli Fisico (1), Data Link (2) e Applicazione (7).Se il
bus utilizza alcune delle caratteristiche dei livelli intermedi (3-6), queste
sono solitamente inglobate in sotto livello all’interno del livello Applicazione
(7) per semplificare la realizzazione tecnica e le risorse hardware e software
necessarie. Nella figura 3 è riportato la corrispondenza al modello ISO/OSI del
bus di campo PROFIBUS, forse il bus di campo più diffuso A livello Fisico (1)
sono previsti come mezzi trasmessivi il doppino attorcigliato e la fibra ottica;
talvolta è necessario anche l’utilizzo di ripetitori per ampliare la distanza
utile su cui si può operare. A livello Data Link (2) si implementano servizi per
lo scambio delle variabili o di messaggi con l’opzione dell’esecuzione di tipo
ciclico o asincrono su richiesta di uno dei nodi della rete. Sono anche previste
delle modalità di trasmissione di messaggi punto a punto, uno a molti
(multicast), uno a tutti (broadcast). Alcuni bus prevedono la presenza di più
stazioni in grado di inviare la richiesta di variabili o la scrittura, in questo
caso si parla di architettura “multimaster”. Tali reti prevedono dei meccanismi
di passaggio del controllo tra i diversi master. Altre prevedono la presenza di
un unico master che si fa carico di eseguire la comunicazione con tutte le
stazioni presenti sulla rete. I bus di campo sono ormai un dato di fatto
ampiamente affermato nell’ambito automazione industriale. Ma all’orizzonte si
prospetta una svolta legata alla presenza sempre più massiccia di soluzioni
basate su Ethernet. Non esiste attualmente un protocollo standard bus di campo
basato su Ethernet, ma i tempi non sembrano lontani e numerosi produttori stanno
lavorando in tal senso.
