Fondamenti della comunicazione HART e di IIoT

In un impianto di processo che funziona con strumenti analogici basati su segnali 4–20 mA e associati al protocollo HART, eventuali situazioni impreviste rischiano di degenerare rapidamente se vengono trascurate le capacità diagnostiche. L'esempio che segue presenta una tipica situazione di manutenzione:

Immaginate una giornata di pioggia forte. Il team di manutenzione ha in programma operazioni di routine che richiedono interventi minimi. Tuttavia, si verificano dei problemi che richiedono immediata attenzione e i tecnici si trovano improvvisamente ad affrontare un problema critico di misura del livello.

Un operatore segnala l'eccessiva oscillazione dei valori forniti da un trasmettitore di livello e che l'impianto sta funzionando senza informazioni affidabili al riguardo. Questo trasmettitore si trova lontano dal centro di manutenzione, in un punto dell'impianto che è possibile raggiungere soltanto uscendo nonostante le condizioni di maltempo.

Una volta raggiunto il dispositivo, il tecnico scopre che non è possibile procedere alla configurazione locale. Per diagnosticare il problema è necessario uno strumento di configurazione da campo - ma la batteria è scarica. Questo problema costringe il tecnico a tornare in sede per ricaricare lo strumento e poi tornare nuovamente sul posto. Nel frattempo, il processo continua senza una misura accurata del livello e gli operatori non si accorgono che è aumentato troppo.

A certo punto, l'interruttore di livello si attiva arrestando il processo e bloccando la produzione. Anche se il sistema di sicurezza ha funzionato come previsto, l'incidente evidenzia un'importante vulnerabilità: il mancato accesso a una diagnostica immediata prolunga la risoluzione dei problemi e provoca tempi di fermo altrimenti evitabili: una storia esemplare.

L'esempio appena fatto vi ricorda qualcosa? Situazioni come questa possono spesso essere risolte rapidamente accedendo ai dati del dispositivo direttamente dal campo. Anche quando i dispositivi da campo si basano su segnali analogici da 4–20 mA, la maggior parte di loro è dotata del protocollo di comunicazione HART - che in questo caso non è stato utilizzato.

Come molti di noi sanno, HART non è una tecnologia nuova. Sono milioni i dispositivi abilitati HART installati in tutti i settori industriali ma non tutti ne conoscono ancora tutte le potenzialità.

HART è l'acronimo di Highway Addressable Remote Transducer, un protocollo introdotto a metà degli anni '80 del secolo scorso. Inizialmente "proprietario", è diventato uno standard aperto nel 1986.

HART è un protocollo ibrido che sovrappone un segnale digitale al tradizionale segnale analogico da 4–20 mA - uno standard in uso da decenni e ancora prevalente in molti impianti.

Da un punto di vista tecnico, HART utilizza lo standard Bell 202 e la modulazione di frequenza (FSK) a 1200 bps. Due frequenze rappresentano i valori binari: 1200 Hz per "1" e 2200 Hz per "0". Questo approccio consente la comunicazione tra dispositivi master e slave senza interrompere il segnale analogico.

I dispositivi da campo abilitati HART forniscono un livello di dati diagnostici e operativi paragonabile a quello dei dispositivi completamente digitali. La distinzione fondamentale sta nelle modalità di accesso a questi dati. I dispositivi digitali comunicano le loro informazioni continuamente, a prescindere dal fatto che vengano attivamente utilizzate. Molti dispositivi HART, invece, racchiudono al loro interno dati preziosi che però rimangono sul campo.

Tutti i dispositivi che utilizzano il protocollo di comunicazione HART supportano la gestione intelligente dei dispositivi (IDM - Intelligent Device Management), come succede con PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus e altre tecnologie digitali. Sebbene HART offra una modalità multi-drop per la lettura dei dati da più dispositivi, questo metodo è lento e quindi non ampiamente adottato. Fortunatamente, per estrarre queste informazioni critiche senza affidarsi a configurazioni multi-drop, esistono soluzioni alternative.

Qual è quindi la vera differenza tra i dispositivi HART e quelli completamente digitali su bus di campo? Per quanto riguarda il tipo e la qualità delle informazioni - ad es. le condizioni e la diagnostica dei dispositivi - non c'è praticamente alcuna differenza. Tuttavia, l'installazione standard dei dispositivi HART prevede, in genere, che il sistema di controllo riceva solo i segnali analogici 4-20 mA, a differenza delle reti digitali in cui tutti i dati dei dispositivi sono continuamente disponibili.

La buona notizia è che le soluzioni moderne, sia cablate che wireless, consentono adesso di accedere ai dati HART trasformandoli in informazioni fruibili - come fa, ad esempio, l'ecosistema IIoT Netilion di Endress+Hauser.

Situazioni come quella del trasmettitore di livello che abbiamo descritto prima possono spesso essere evitate sfruttando le moderne opzioni di connettività. I dati IDM dei dispositivi da campo abilitati HART possono essere recuperati facilmente, senza grandi investimenti o importanti modifiche dell'impianto.

1. Integrazione di WirelessHART: la tecnologia wireless è uno dei metodi più semplici per raccogliere i dati dei dispositivi. Aggiungendo un adattatore WirelessHART ai dispositivi da campo esistenti, i dati possono essere trasmessi a un gateway WirelessHART. Questo gateway - ad esempio Fieldgate SWG70 di Endress+Hauser - può quindi essere connesso a un dispositivo edge, consentendo una facile integrazione con le piattaforme cloud IIoT. Le soluzioni wireless sono già state ampiamente adottate in diversi settori e si sono dimostrate efficaci in numerose applicazioni.

2. Gateway HART per l'integrazione cablata: per gli impianti che privilegiano le soluzioni cablate, i gateway HART rappresentano un modo affidabile per estrarre i dati dal circuito 4–20 mA e trasmetterli a piattaforme IIoT come Netilion. Anche se questo approccio può comportare un costo iniziale leggermente più elevato rispetto alla tecnologia wireless, il ritorno sull'investimento è generalmente possibile entro pochi mesi. Un esempio è Fieldgate SFG250, un gateway HART basato su Ethernet che offre un metodo semplice ed efficiente per accedere ai dati dei dispositivi e integrarli nei sistemi cloud. HART su Ethernet è uno dei modi più efficaci per sbloccare informazioni preziose senza rendere più complicate le operazioni quotidiane.

Come dimostrato negli esempi precedenti, IIoT non è così distante o complesso come potrebbe sembrare. I vantaggi dei servizi IIoT sono evidenti e implementarli nel vostro impianto può essere davvero molto utile.

IIoT, ad esempio, può fornire una panoramica completa della base installata. Sapevate che quasi il 30% degli asset presenti in molti impianti è già obsoleto? Con i servizi IIoT, è possibile registrare facilmente i dispositivi, in modo manuale o automatico, tramite un dispositivo edge e creare un gemello digitale.

Una volta realizzata la connessione, i servizi digitali come Netilion Analytics sono in grado di offrire informazioni trasparenti attraverso dashboard e grafici di uso intuitivo. Queste analisi rivelano informazioni critiche e aggiornate sui dispositivi - ad es. disponibilità e vita di servizio - riducendo la complessità e semplificando il lavoro di manutenzione.

Un altro importante vantaggio dell'associazione tra IIoT e il protocollo di comunicazione HART è il monitoraggio delle condizioni dei dispositivi. Servizi digitali come Netilion Health sono in grado di fornire informazioni diagnostiche sia per i dispositivi Endress+Hauser che per quelli di altri fornitori.

Che si tratti di connettività cablata o WirelessHART, il gateway può collegarsi a un dispositivo edge che comunica in sicurezza con il cloud. Ciò consente di accedere ai dati sulle condizioni dei dispositivi da qualsiasi luogo.

Il sistema visualizza lo stato dei dispositivi basandosi sugli standard NAMUR NE 107. Alla generazione di un allarme diagnostico o in caso di guasto, è possibile disporre di tutte le informazioni necessarie a identificare la causa alla radice e le misure correttive. Sono disponibili anche dati storici grazie a cui è possibile sapere quando e con quale frequenza si sono verificati i vari problemi - offrendo un quadro chiaro delle prestazioni degli asset nel tempo.

Se fosse stato previsto un sistema di monitoraggio delle condizioni di questo tipo, il problema di misura del livello di cui abbiamo parlato prima avrebbe potuto essere rilevato tempestivamente, permettendo di risparmiare tempo, ridurre i costi e prevenire tempi di fermo non programmati.

In sintesi: IIoT rende più semplice, più intelligente e più efficiente la gestione degli impianti.