Tutto sulle reti PROFIBUS e su come utilizzarle con i servizi IIoT
In breve
- Scopo di questo articolo è quello di fornire le necessarie informazioni sulle reti .
- Discuteremo dei tipi di PROFIBUS, di come funzionano, della differenza tra PROFIBUS e PROFINET e di come applicare IIoT a una soluzione PROFIBUS.
- Dopo aver letto l'articolo, sarete pronti a ottimizzare la vostra rete e, se non ne avete una, disporrete finalmente di tutte le informazioni necessarie a implementarla nel vostro impianto.
- Prima di tutto, va sottolineato che la comunità degli utenti PROFIBUS cresce di giorno in giorno. Il gruppo di interesse responsabile del protocollo sta facendo un ottimo lavoro, parlando di PROFIBUS ovunque ce ne sia l'occasione.
- Diamo un'occhiata più da vicino a questo protocollo e impariamo a utilizzarlo insieme ai servizi IIoT per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi da campo e della rete.
Che cos'è PROFIBUS?
PROFIBUS è una rete digitale responsabile della comunicazione tra i sensori di campo e il sistema di controllo o i controller. In fase di sviluppo, l'idea era quella di implementare le soluzioni PROFIBUS prima nel campo dell'automazione industriale e poi nelle industrie di processo, in quelle di produzione, ecc.
All'inizio, il gruppo di interesse ha sviluppato PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Era un protocollo complesso che oggi non viene più utilizzato. Successivamente, ci si è messi al lavoro per creare il protocollo PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals) e, nel 1998, è stato lanciato PROFIBUS PA (Process Automation).
Oggi, quando parliamo di PROFIBUS, intendiamo PROFIBUS DP e PROFIBUS PA. A questi si è aggiunto PROFINET, un protocollo basato sulla comunicazione Ethernet che è già stato implementato in molti settori e in diverse applicazioni.
Quali sono i tipi di PROFIBUS?
Come accennato prima, in commercio sono disponibili PROFIBUS DP e PROFIBUS PA. Ora vediamo come funzionano e in quali applicazioni vengono utilizzati più frequentemente.
Che cos'è PROFIBUS DP?
La rete PROFIBUS DP è stata sviluppata come una soluzione rapida, basata su un livello fisico RS485 e sullo standard europeo EN-50170. Il livello fisico non deve essere necessariamente in rame - è possibile utilizzare anche la tecnologia wireless o la fibra ottica. DP sta per Decentralized Periphery (Periferia decentrata). Il nome si riferisce alle connessioni I/O che, per connettersi a un controller centrale, utilizzano una comunicazione seriale ad alta velocità completamente decentrata.
Va anche detto che il protocollo PROFIBUS DP si basa sul modello OSI (Open System Interconnection) secondo lo standard ISO 7498 e ogni livello del protocollo ha determinati compiti. La rete PROFIBUS DP è una rete token multi-master - ciò significa che quando nel sistema sono presenti due o più master, il token che dà il diritto di comunicare con i dispositivi da campo passa da un master all'altro che, in tal modo, si suddividono il tempo di comunicazione.
Le classi di master sono due. I master di Classe 01 comunicano informazioni cicliche per controllare il processo mentre i master di Classe 02 (opzionali) comunicano informazioni acicliche e vengono utilizzati per la diagnostica, gli allarmi e la configurazione dei dispositivi. La velocità di trasmissione, in un sistema rientrante tra 100 e 1000 metri, varia da 9,6 kbp/s a 12 Mbp/s. Per quanto riguarda la topologia, invece, le reti PROFIBUS DP sono lineari e utilizzano gateway, ripetitori e terminatori. Altro aspetto importante è che le reti DP possono avere un profilo ProfiSafe ed essere utilizzate in applicazioni di sicurezza SIL3.
Che cos'è PROFIBUS PA?
Inizialmente, il protocollo PROFIBUS PA è stato sviluppato come un'evoluzione della comunicazione HART. È dedicato alle applicazioni in cui è richiesta la comunicazione tra gli strumenti di misura e il sistema di controllo. PROFIBUS PA utilizza doppini intrecciati schermati, sia per l'alimentazione che per la comunicazione. La struttura fisica della rete è conforme allo standard IEC-61158-2 e la velocità dei dati sulla rete è di 31,25 kbit/s. In realtà è praticamente molto simile a FOUNDATION Fieldbus H1 – entrambi si basano sullo stesso standard.
Quando questo protocollo è stato sviluppato, 31,25 kbit/s erano più che sufficienti (e lo sono ancora) per il tipo di informazioni inviate e ricevute dagli strumenti da campo. I dispositivi PROFIBUS PA non sono collegati direttamente ai controller che invece si trovano sulla più veloce rete PROFIBUS DP e sono raggiungibili tramite un accoppiatore o un collegamento. L'accoppiatore/collegamento funge da interfaccia di rete e fornisce l'alimentazione al bus. L'aspetto positivo delle reti PA è che possono essere progettate a sicurezza intrinseca; ciò significa che gli strumenti ad esse collegati possono funzionare in aree pericolose.
Normalmente, su un bus a sicurezza intrinseca ci sono meno dispositivi che su una rete convenzionale ma questo dipende da una serie di fattori che determinano il numero ottimale di dispositivi per ogni tipo di rete e che sono, ad esempio, il consumo di corrente degli strumenti, la lunghezza del bus, il tipo di cavi, ecc.
Che cos'è PROFINET?
Diciamo subito che questo capitolo non entrerà nei dettagli di PROFINET perché, sebbene sia gestito dallo stesso gruppo di interesse responsabile di PROFIBUS, è un protocollo diverso.
PROFINET può essere considerato una sorta di evoluzione del protocollo PROFIBUS. Nell'industria attuale, si preferisce utilizzare protocolli basati su Ethernet (IEEE 802.3) e sul modello OSI. PROFINET può essere utilizzato sia nelle applicazioni di controllo che in quelle di comunicazione, permettendo di usufruire di tutti i vantaggi apportati da una rete uniforme e verticale e dall'integrazione delle tecnologie IT nelle aree di produzione di un’azienda.
Sono già molti i produttori con strumenti da campo che utilizzano un protocollo nativo basato su Ethernet. Altro vantaggio di questo protocollo è la sua facilità di implementazione perché utilizza un modello ben noto con un basso costo dell'infrastruttura. PROFINET non dovrebbe essere considerato come un protocollo PROFIBUS Ethernet ma come uno standard aperto basato su Ethernet, evoluzione del protocollo PROFIBUS.
Un altro aspetto positivo di PROFINET è la sua trasparenza al traffico TCP/IP che aggiunge notevoli benefici. Tutti i dispositivi sono collegati a un'unica rete in cui vengono eseguite le operazioni di controllo, diagnostica, ecc. Normalmente, i gateway non sono necessari. Lo standard consente di costruire la rete in diverse topologie: ad anello, lineare, ad albero, a stella, ecc. PROFINET funziona a velocità che possono arrivare a 1000 megabit al secondo e i cavi possono avere una lunghezza di 100 metri. Grazie al funzionamento ad alta velocità, il tempo di risposta è inferiore a 1 millisecondo.
Qual è la differenza tra PROFIBUS e PROFINET?
Quando parliamo di PROFIBUS, parliamo di un tradizionale e ben noto protocollo di comunicazione digitale già presente in diversi settori e in numerose applicazioni. Questo protocollo si basa sulla comunicazione seriale e ha apportato molti vantaggi al settore industriale.
PROFINET è un protocollo basato su Industrial Ethernet che supporta una comunicazione più veloce e ha una maggiore larghezza di banda. Ciò significa che un messaggio scambiato sulla rete PROFINET può contenere molte più informazioni di un messaggio su PROFIBUS.
Di seguito è riportata una tabella di PROFIBUS International che confronta le due opzioni:
In pratica, è una delle migliori soluzioni disponibili ma, per implementare il protocollo di comunicazione più adatto a un certo impianto, è comunque necessario valutare i requisiti dell'applicazione.
Che cos'è PROFIBUS & PROFINET International?
PROFIBUS & PROFINET International è una grande associazione di aziende che operano nel campo dell'automazione, presente in diverse parti del mondo. È responsabile di PROFIBUS e PROFINET, due dei protocolli di comunicazione più rilevanti sul mercato. L'organizzazione sta cercando di ridurre il divario nella conoscenza dei protocolli di campo tra i vari settori industriali, organizzando eventi per parlare della tecnologia e farla conoscere agli utenti finali.
Come utilizzare i servizi IIoT in una rete PROFIBUS?
Alcuni utenti PROFIBUS implementano la rete come un sistema 4-20 mA. Ma i dati della rete possono essere utilizzati per capire cosa sta succedendo e agire prima che accada qualcosa.
In alcuni scenari, il tradizionale monitoraggio delle condizioni può risultare piuttosto complesso. Tuttavia, i moderni servizi IIoT facilitano il monitoraggio delle condizioni dei dispositivi e permettono di accedere alle informazioni e ai documenti dei database - anche a distanza.
Per raccogliere le informazioni diagnostiche e di stato dei dispositivi da campo, è necessario disporre di un cosiddetto "fieldgate". Un buon esempio è Fieldgate SFG500. Funziona come un master DP di Classe 02, raccogliendo tutti i dati dai dispositivi da campo. Il fieldgate deve poi essere collegato a un dispositivo edge come FieldEdge SGC500.
Tutte le informazioni provenienti dai dispositivi vengono trasferite su cloud utilizzando un ambiente sicuro. A questo punto è possibile utilizzare diversi tipi di servizi IIoT - ad esempio Netilion Health - per monitorare le condizioni dei dispositivi da campo.
Nel contempo, potete avvalervi di Netilion Library per organizzare tutta la documentazione relativa ai dispositivi come, ad esempio, manuali tecnici, report di taratura, ecc.
Un ultimo aspetto, non meno importante, è la possibilità di migliorare il controllo della base installata. Netilion Analytics, insieme al dispositivo edge, è in grado di creare un gemello digitale di ogni dispositivo, fornendo tutte le informazioni riguardanti la base installata - tipo di dispositivi, fornitori, criticità, obsolescenza e altro ancora.
