La guida irrinunciabile a PROFINET con IIoT

Sebbene le tecnologie basate su HART e sui segnali 4–20 mA siano ancora ampiamente utilizzate, le reti digitali stanno guadagnando terreno nell'ambiente industriale perché meglio allineate con le iniziative di digitalizzazione. Si continua comunque a discutere sulla necessità di continuare a usare sistemi analogici in quanto, essendo robusti e facili da utilizzare, rendono più semplici le operazioni sul campo. Rimane, tuttavia, una domanda: come possiamo ottenere una connettività trasparente tra il campo e i sistemi di controllo?

I controller e le apparecchiature di nuova generazione producono una notevole quantità di dati che richiedono protocolli di comunicazione avanzati come Modbus RS485, OPC e PROFIBUS DP. E tecnologie come FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA e PROFINET offrono capacità di integrazione ancora maggiori. Collegando i dispositivi da campo ai controller, queste reti industriali consentono operazioni di diagnostica e configurazione che, insieme ad altre funzionalità avanzate, vanno ben oltre ciò che può offrire l'analogico puro.

Nonostante questi progressi, le tecnologie basate sui segnali 4–20 mA continuano a dominare il settore, soprattutto a causa del divario tra le soluzioni dei fornitori e le realtà degli utenti, senza dimenticare la complessità delle reti digitali che ritarda il superamento dell’analogico. Tuttavia, la sempre maggiore affermazione di IIoT e IA sta accelerando la digitalizzazione rendendo sempre più comune, nei nuovi progetti, l'introduzione di protocolli basati su Ethernet e della comunicazione wireless. La tendenza è chiara: le soluzioni digitali continuano ad aumentare e dobbiamo essere pronti ad adottarle.

Quando si installa un router o un dispositivo connesso a Internet, capita spesso di trovarsi a utilizzare un cavo Ethernet. Molti pensano che "Ethernet" si riferisca esclusivamente al cavo stesso ma, in realtà, il cavo rappresenta solo lo strato fisico di una rete Ethernet.

Ethernet supporta diversi protocolli di comunicazione su questi cavi. Tra gli esempi più comuni ci sono IP (Internet Protocol) e TCP (Transmission Control Protocol), ampiamente utilizzati nelle applicazioni quotidiane. Gli ambienti industriali, tuttavia, richiedono anche altri protocolli in grado di rispondere a esigenze più complesse.

A livello di impianto, i controller devono accedere ai dati provenienti da drive, I/O e workstation con tempi di risposta rapidi, mentre la rete deve resistere ad ambienti spesso esposti ad abrasione, umidità e variazioni di temperatura. Per soddisfare queste esigenze, gli esperti di automazione hanno sviluppato Industrial Ethernet da cui, successivamente, è emerso PROFINET che si è imposto come un robusto protocollo basato su Ethernet per applicazioni industriali.

PROFINET è un protocollo di comunicazione industriale basato su Ethernet che collega i dispositivi di processo - come sensori e attuatori - ai sistemi di controllo. È stato sviluppato dall'organizzazione PROFIBUS & PROFINET International (PI) in collaborazione con numerosi partner del settore.

Il protocollo è conforme allo standard Ethernet IEEE 802 ed è definito in IEC 61158 e IEC 61784, consentendo la facile integrazione di diversi dispositivi sulla stessa rete. Una stampante e un misuratore di portata, ad esempio, possono coesistere all'interno di un'unica infrastruttura. A differenza delle tipiche reti domestiche, PROFINET ha tempi di ciclo estremamente rapidi, spesso inferiori al millisecondo, e ciò lo rende ideale per l'automazione industriale.

Per comprenderne la struttura, facciamo riferimento al modello ISO/OSI che definisce sette livelli per la comunicazione di rete. Ethernet in genere utilizza quattro livelli:

• Ethernet per il collegamento fisico e il collegamento dati
• IP per la rete
• TCP o UDP per il trasporto
• Altriprotocolli per specifiche funzioni

PROFINET segue in genere questo modello ma, in alcune applicazioni, può bypassare determinati livelli. Ad esempio, Real-Time (RT) PROFINET omette i livelli di rete e di trasporto per accelerare la comunicazione.

• TCP/IP per la configurazione, le impostazioni e le operazioni cicliche di lettura/scrittura
• Real-Time (RT) per le attività di automazione con tempi di ciclo compresi tra 1 e 10 millisecondi
• Isochronous Real-Time (IRT) per una comunicazione altamente precisa e sincronizzata con commutazione programmata

Questo approccio a strati assicura flessibilità, velocità e affidabilità, rendendo PROFINET una pietra angolare per la moderna automazione industriale e l'integrazione di IIoT.

Per lo scambio di dati, PROFINET funziona secondo un modello provider-consumer, sostituendo il tradizionale approccio master-slave utilizzato da PROFIBUS. I dispositivi all'interno di un sistema PROFINET sono in genere organizzati in tre categorie:

• Controller: di solito un controllore a logica programmabile (PLC) o un sistema di controllo distribuito (DCS) che esegue il programma di automazione. Il controller invia i segnali in uscita ai dispositivi I/O e riceve da questi i segnali in ingresso, in modo simile a quanto avviene con un master di classe 1 in PROFIBUS.
• Dispositivi: componenti di campo come sensori e attuatori che comunicano con il controller tramite connessioni Ethernet, funzionando in modo simile agli slave in PROFIBUS.
• Supervisore: sistemi come PC, HMI o strumenti diagnostici utilizzati per il monitoraggio, la messa in servizio e la risoluzione dei problemi, paragonabili ai master PROFIBUS di classe 2.

Un sistema PROFINET I/O richiede almeno un controller e un dispositivo ma le configurazioni possono variare notevolmente: diversi controller per un singolo dispositivo, un controller per diversi dispositivi o persino diversi controller per diversi dispositivi. I supervisori vengono in genere utilizzati temporaneamente durante la messa in servizio o le operazioni di diagnostica.

Oltre a questi elementi principali, una rete PROFINET include componenti quali switch e punti di accesso wireless. Alcuni di questi componenti possono anche fungere da dispositivi I/O e fornire capacità diagnostiche avanzate.

Per configurare un dispositivo PROFINET I/O, sono essenziali due elementi: uno strumento di supervisione e un file GSD (General Station Description). Il file GSD, fornito dal produttore del dispositivo, è simile a quelli utilizzati in PROFIBUS ma ha un formato basato su XML, noto come GSDML.

Una volta completata la configurazione, il file GSDML viene scaricato sul controller per stabilire la comunicazione con i dispositivi collegati. Da questo punto, i dati ciclici - come ingressi e uscite - fluiscono costantemente tra il controller e i dispositivi, mentre i dati aciclici, comprese le informazioni diagnostiche, vengono scambiati secondo necessità.

La scelta tra PROFIBUS e PROFINET dipende dai requisiti specifici dell'applicazione. PROFIBUS è un protocollo digitale consolidato basato sulla comunicazione seriale, mentre PROFINET è un protocollo moderno basato su Industrial Ethernet. PROFINET offre una larghezza di banda notevolmente più elevata e cicli di comunicazione più rapidi, consentendo il trasferimento di pacchetti di dati più grandi.

Qui è riportata una panoramica delle differenze tra PROFIBUS e PROFINET:

Un altro vantaggio di PROFINET è la sua compatibilità con le tecnologie wireless. Essendo uno standard basato su Ethernet può integrarsi, all'occorrenza, con Wi-Fi o Bluetooth per la connettività mobile e remota.

Connettività e apertura sono fondamentali per costruire sistemi IIoT efficienti. La raccolta di dati di campo accurati è essenziale per generare informazioni fruibili e PROFINET assicura un collegamento affidabile e trasparente tra i dispositivi da campo e gli ecosistemi IIoT come Netilion di Endress+Hauser.

Uno dei punti di forza di PROFINET è la sua capacità di coesistere con altri protocolli, consentendo agli operatori di passare all’era digitale senza abbandonare l’infrastruttura esistente. Inoltre, i dati possono essere esportati dal campo a sistemi di livello superiore utilizzando standard aperti come OPC UA che, insieme a PROFINET, consentono un'integrazione fluida con i database su cloud.

PROFINET è già un pilastro fondamentale di IIoT e il suo ruolo continua ad acquisire una sempre maggiore importanza.