Tecnologia

PROFIBUS, PROFINET e IO-Link sono le tecnologie principali del PI International.

Altri profili per applicazioni specifiche sono: ProfiSAfe, ProfiDrive e ProfiEnergy.

PROFIBUS DP (Decentralized Periphery), nata nel 1992, è la versione di protocollo di comunicazione più diffusa al mondo nel campo dell’automazione industriale. PROFIBUS DP è conforme alla normativa IEC 61158, per cui si possono utilizzare differenti tipi di dispositivi, su una unica rete, anche di marchi diversi (interoperabilità). Viene garantita l'alta velocità di trasmissione dei dati (fino a 12Mb), bassi costi di implementazione (cablaggio ed installazione), diminuzione dei componenti, schemi più semplici e il plug-and-play. La rete Profibus è su base RS485 (bus seriale).

PROFINET, sviluppato nel 1998,  è un protocollo Ethernet conforme alle norme IEC 61158 ed IEC 61784.Opera in tempo reale e viene utilizzato in tutti i settori industrial: dal motion control all'automazione di fabbrica fino alla tecnica di processo.

I tre canali di comunicazione disponibili sono pensati appositamente per le esigenze delle diverse classi di dispositivi e per le varie applicazioni, possono essere implementati in parallelo sulla stessa rete o dispositivo: canale standard (TCP/IP, UDP/IP), canale in tempo reale RT (Real Time) e canale in tempo reale sincrono IRT (Isochronous Real Time).

Le reti PROFINET offrono pertanto numerosi vantaggi:

• Elevata flessibilità di potenza
• Tutti i dispositivi della rete sono raggiungibili come dispositivi TCP/IP
• Componenti Ethernet standard collegabili direttamente
• I protocolli Web server basati su TCP/IP possono essere utilizzati facilmente e con potenza ridotta
• Integrazione della sicurezza funzionale tramite PROFIsafe
• Interazione ottimale di Ethernet standard e Ethernet in tempo reale attraverso PROFINET

Le reti PROFINET sono particolarmente flessibili. Si possono realizzare differenti architetture di rete:  strutture a stella, in linea e ad anello e anche in forma mista. La comunicazione può avvenire attraverso le reti in cavi di rame esistenti oppure fibre ottiche, insensibili a campi elettromagnetici (ottimali per reti estese). Implementa il concetto di ridondanza per una comunicazione affidabile in caso di guasto e supporta trasmissione dati senza fili tramite WLAN e Bluetooth.

I nodi PROFIBUS e PROFINET raggiungono oggi i 100milioni nel mondo. 

PROFIsafe è un protocollo di comunicazione per le applicazioni di sicurezza funzionale basate su PROFIBUS e PROFINET.  Il protocollo PROFIsafe può essere utilizzato per applicazioni orientate alla sicurezza fino alla categoria SIL3 secondo IEC 61508 o IEC 62061, categoria di sicurezza 4 secondo EN 954-1 o PL e secondo ISO 13849-1.

PROFIdrive è il protocollo standard con struttura modulare per azionamenti basati sulla comunicazione PROFIBUS e PROFINET. Descrive le proprietà che gli attuatori e i codificatori devono obbligatoriamente avere allo scopo di garantire l'interoperabilità e la sostituibilità dei dispositivi all'interno delle applicazioni PROFIBUS e PROFINET.

PROFIenergy è un protocollo generale, studiato appositamente per le applicazioni nel settore della gestione dell'energia negli impianti produttivi e offre un'interfaccia basata su PROFINET, che consente di gestire il consumo energetico di macchine e impianti, con l'ausilio di sistemi di livello superiore, via PROFINET. L'obiettivo principaleè il potenziale risparmio di energia nelle pause e nelle fasi non produttive. PROFIenergy è promosso dalla Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA), in cui sono riunite le case automobilistiche Audi, BMW, Mercedes, Porsche e VW.

Il comitato composto dagli di utenti PROFINET (PNO), istituito a questo scopo, ha pubblicato la specifica PROFIenergy alla fine del 2009. L'impiego di PROFIenergy nei moderni dispositivi di automazione è in continuo aumento.

IO-Link è il protocollo di comunicazione dell’ultimo metro, ovvero fa parlare tutti quei sensori ed attuatori che normalmente sono analogici; la comunicazione digitale è una comunicazione con meno disturbi rispetto a quella analogica e con la possibilità di trasmettere più dati. Oggi i nodi IO-Link sono oltre 16 milioni a livello mondiale. 

IO-Link è un protocollo di comunicazione industriale punto-punto, non bus di campo, corrisponde allo standard internazionale IEC 61131-9; non è legato a nessun costruttore e la documentazione è usufruibile per tutti online “in chiaro”. È compatibile con la maggior parte dei bus di campo industriali; questo permette una facile integrazione con nei sistemi già esistenti. In un singolo nodo IO-Link è possibile raccogliere fino a 128 segnali sia IO-Link che digitali semplici.

La comunicazione IO-Link è di 32 byte in ingresso e 32 byte in uscita; è bilaterale (lettura e scrittura) e per questo permette la trasmissione sia di dati ciclici (di processo) che aciclici (parametri, messaggi di errore, warning, notifiche); ha 3 velocità (4.8 kBaud,38.4 kBaud, 230.4 kBaud). La rete IO-Link si compone di: Master IO-Link, che sostanzialmente è un gateway bus di campo/IO-Link e sulla rete bus di campo compare come uno slave; il dispositivo IO-Link o digitale semplice; il cavo a 3 o 5 fili, non schermato fino a 20mt, con connettore uguale per tutti i dispositivi (M12 o M8 o M6). Nel cavo a 3 o 5 fili “passa” sia la comunicazione che la potenza; questo fa si che in una rete IO-Link, rispetto a una digitale semplice o ancora analogica, ci siano meno cavi da cablare.

Il Master IO-Link e i dispositivi IO-Link possono essere facilmente configurati grazie al Port Configuration Tool: un software che è in grado di riconoscere i dispositivi connessi al Master e scaricare in automatico i file descrittori (IODDs) dal database online www.ioddfinder.com. 

Tra i vantaggi IO-Link, oltre a quello del cablaggio, c’è quello della auto-parametrizzazione; una funzione del Master IO-link che salva al suo interno tutti i parametri dei dispositivi connessi; questo è utile in caso di sostituzione di un dispositivo guasto perché basta sostituirlo con uno nuovo che il Master riparametrizza in automatico il device evitando così di “spendere” altre ore per parametrizzare il dispositivo sostituito. Manutenzione più veloce.

Essendo comunicazione digitale, si può dire che IO-Link concorre al completamento della rete Industry 4.0 delle macchine e sistemi industriali. Anche IO-Link si sta muovendo sul Safety, OPC UA, wireless e linguaggio JSON.

omlox è il primo standard di localizzazione aperto al mondo, che mira a implementare soluzioni flessibili di localizzazione in tempo reale con elementi di diversi produttori senza richiedere alcuna pianificazione del progetto. Il termine omlox deriva dai termini latini "omni" = onnipresente e "locus" = posizione. omlox fa parte di Profibus & Profinet International.

Integrazione dei sistemi più rapida e semplice con MTP. Le interfacce standardizzate e la descrizione semantica delle macchine autonome consentono di orchestrare in modo flessibile macchine autonome e Process Equipment Assemblies (PEA) in un sistema modulare. La tecnologia "Module Type Package (MTP)", sviluppata congiuntamente da NAMUR, ZVEI e PNO, apre nuove dimensioni di flessibilità e interoperabilità del sistema.

Macchina, cella di produzione, unità di confezionamento, skid, process equipment assembly: i termini utilizzati per le unità intelligenti e ampiamente autonome all'interno di un sistema variano da settore a settore. L'integrazione di queste unità in un sistema orchestrato di livello superiore è stata risolta il più possibile a livello di comunicazione grazie alla comunicazione continua basata su Ethernet. Il concetto di automazione modulare, costituito da elementi di interfaccia standardizzati e dalla loro descrizione semantica nel Module Type Package, consente per la prima volta l'integrazione di unità intelligenti e autonome nei sistemi di orchestrazione del Process Orchestration Layer (POL) a livello di applicazione. Qui vengono affrontati tutti gli aspetti rilevanti:

• Integrazione delle schermate operative delle unità intelligenti e autonome nell'HMI dell'intero sistema nel sistema di orchestrazione del POL;
• capacità di orchestrare le funzioni fornite dalle unità autonome per creare un prodotto desiderato sul sistema;
• integrazione degli allarmi e dei messaggi delle unità autonome in un sistema di allarme di livello superiore a livello di sistema;
• integrazione delle informazioni di diagnostica e del ciclo di vita delle unità autonome in un sistema di diagnostica o di gestione degli asset di livello superiore.

I singoli aspetti sono stati descritti in precedenza nella linea guida VDI/VDE/NAMUR 2658. In futuro, questa linea guida sarà sostituita da una specifica comune per la tecnologia di NAMUR, ZVEI e PNO. Questa linea guida e i relativi test di conformità sono sviluppati da gruppi di lavoro congiunti.

La NAMUR Open Architecture (NOA) modernizza la collaudata piramide dell'automazione dei processi. Questa piramide, nota anche come piramide NAMUR, modello multilivello o Purdue Enterprise Reference Architecture, è una struttura consolidata per l'automazione dei processi fin dalla sua pubblicazione.

È composta dai seguenti livelli:

• Livello di campo (livello 1): è il livello in cui avviene l'interazione fisica con il processo tramite sensori e attuatori;
• livello di controllo del processo (livello 2): questo livello si concentra sull'automazione stabile e affidabile e sul funzionamento dell'impianto, compresa l'interfaccia uomo-macchina (HMI), tenendo conto di una grande quantità di dati provenienti dal livello di campo e di requisiti rigorosi per la capacità in tempo reale e la disponibilità del sistema;
• livello di controllo delle operazioni (livello 3): è  qui che avviene l'elaborazione di informazioni condensate e contestualizzate, con requisiti in tempo reale dell'ordine di minuti o ore;
• sistemi aziendali e logistici (livello 4): comprendono i sistemi informatici in cui si svolgono i processi aziendali e logistici standard.

Con il progredire della tecnologia, le funzioni di questi livelli possono essere integrate in sistemi di livello superiore, soprattutto per i sistemi più piccoli.
Tuttavia, la piramide NAMUR rimane un'architettura di automazione altamente disponibile e matura nella pratica operativa.

Sfide e opportunità

I sistemi di automazione tradizionali ottimizzati per l'industria di processo sono spesso monolitici e basati su tecnologie specifiche del produttore. Ciò comporta diversi svantaggi:

• Ritardo nell'implementazione di nuove tecnologie;
• necessità di una costosa modernizzazione del sistema;
• elevati requisiti di affidabilità e disponibilità, che rendono difficili i cambiamenti rapidi.

Le moderne innovazioni IT come IoT, Industria 4.0 e cloud computing si stanno sviluppando rapidamente e offrono immense opportunità. Tuttavia, l'implementazione nell'automazione dei processi "tradizionali" è in ritardo. In questo contesto, NOA è stato sviluppato per consentire una convergenza strutturata dei sistemi IT e OT e per utilizzare i rispettivi vantaggi.

Guiding principles of NAMUR Open Architecture (NOA)

NOA combina i vantaggi degli sviluppi informatici innovativi con i sistemi di automazione OT esistenti. I sei principi guida di NOA sono:

• complementari alla struttura esistente: le soluzioni NOA completano l'architettura di automazione collaudata, ma non la sostituiscono, rendendole ideali per l'integrazione nei sistemi esistenti;

• aperto all'Industria 4.0: NOA si concentra sulle applicazioni di monitoraggio e ottimizzazione, consentendo nuovi approcci e modelli di business;

• basato su standard aperti: NOA si basa sull'interoperabilità e sull'indipendenza dai singoli fornitori attraverso l'uso di standard aperti;

• integrazione dei componenti IT: NOA consente l'utilizzo di requisiti meno stringenti per i componenti del sistema, il che facilita l'integrazione delle moderne tecnologie IT;

• riduzione dei costi per informazione: NOA mira a ridurre il costo totale per informazione utilizzando applicazioni innovative di monitoraggio e ottimizzazione per ottimizzare costi e benefici;

• mantenimento della disponibilità e della sicurezza: NOA non deve compromettere la stabilità, la disponibilità, la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi di automazione esistenti.

Con l'introduzione di NOA, l'industria di processo può beneficiare dei vantaggi della digitalizzazione e dell'Industria 4.0 senza mettere a rischio l'affidabilità e la stabilità dei sistemi di automazione consolidati. NOA offre quindi una soluzione lungimirante per affrontare le sfide della moderna automazione di processo, aprendo al contempo nuove opportunità di innovazione ed efficienza.