Come utilizzare un singolo cavo fieldbus per più protocolli Ethernet simultanei

L'accelerazione del passaggio all'Impresa 4.0 e all'Internet delle cose industriale (IIoT) comporta la necessità di raccolta dati e connettività, per l'analisi finalizzata a migliorare la produttività e la sicurezza. Tuttavia, la raccolta e il trasferimento dei dati orizzontali e verticali in tutta la fabbrica possono essere complessi e costosi, soprattutto quando sono coinvolte più reti in ambienti difficili. I progettisti hanno bisogno di un modo per sviluppare, implementare e gestire in modo efficiente reti industriali in grado di scambiare dati con più controller a logica programmabile (PLC), sensori e attuatori di fornitori diversi, utilizzando contemporaneamente protocolli diversi e un cablaggio minimo.

Tutto ciò è possibile utilizzando una piattaforma di ingresso/uscita (I/O) distribuita, integrata e ottimizzata, in grado di gestire più protocolli su un unico cavo Ethernet. Un sistema di questo tipo consente inoltre ai gestori di reti industriali di semplificare i requisiti di assistenza e di ridurre le scorte di ricambi, standardizzando su un'unica piattaforma di I/O, indipendentemente dal PLC utilizzato.

Questo articolo fornisce una breve rassegna delle reti per l'Impresa 4.0. Presenta quindi una piattaforma di I/O di Siemens in grado di ospitare più fieldbus Ethernet su un unico cavo in ambienti difficili e mostra come utilizzarla per soddisfare le esigenze dei progettisti per l'Impresa 4.0.

Protocolli Ethernet

Le implementazioni di Impresa 4.0 hanno molte esigenze di comunicazione. Ciascuno dei tre principali protocolli fieldbus, PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP, supporta diversi casi d'uso, dalla tecnologia operativa (OT) in fabbrica alla tecnologia informatica (IT).

PROFINET: è un protocollo deterministico ad alte prestazioni utilizzato per lo scambio di dati tra controller come PLC e dispositivi. È adatto a funzioni in tempo reale e critiche per la sicurezza che includono applicazioni di controllo del movimento ad alta velocità ed è utilizzato anche per integrare le funzioni OT/IT.

EtherNet/IP: utilizza il protocollo Ethernet standard, semplificando l'implementazione con i dispositivi Ethernet. Il Common Industrial Protocol (CIP) è ottimizzato per le applicazioni di automazione industriale e supporta tecnologie di rete come EtherNet/IP. EtherNet/IP può essere utilizzato anche per lo scambio di dati dal campo ai sistemi IT.

Modbus TCP: si tratta di un protocollo basato su TCP/IP, utile per le funzioni non critiche dal punto di vista temporale, come il consumo energetico e la raccolta di dati ambientali, nonché per lo scambio di dati tra il livello di campo e i sistemi IT.

Dato che ognuno dei tre fieldbus ha uno scopo specifico, sono necessari tutti e tre. Ciò crea problemi di comunicazione complessi, ed è qui che entrano in gioco i sistemi MultiFieldbus. Il controller di comunicazione MultiFieldbus si colloca tra il livello di campo e il livello di controllo, comunicando simultaneamente con più controller che utilizzano protocolli diversi su un unico cavo di rete (Figura 1). I dispositivi MultiFieldbus possono essere utilizzati in diversi ambienti, dall'interno di un quadro comandi protetto all'esterno della fabbrica, fino alle installazioni remote all'aperto.

Figura 1: Un controller di comunicazione MultiFieldbus si colloca tra il livello di campo e il livello di controllo, facilitando la connettività e la comunicazione completa per Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Ambienti diversificati

La diversità ambientale richiede dispositivi con diversi gradi di protezione dalle infiltrazioni (IP) da IP20 a IP67. Il sistema di classificazione IP è contemplato nello standard 60529 della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e valuta i dispositivi in base alla capacità del loro involucro di fornire protezione contro l'intrusione di polvere e liquidi e alla facilità con cui le parti pericolose del sistema racchiuso possono essere raggiunte da dita, utensili o oggetti di varie dimensioni. I codici IP sono composti da due cifre. Il primo indica la protezione contro gli oggetti solidi ed è classificato su una scala da 0 (nessuna protezione) a 6 (nessun ingresso di polvere). La seconda cifra indica la protezione dai liquidi ed è classificata da 0 (nessuna protezione) a 9 (protezione dall'acqua calda ad alta pressione da diverse angolazioni).

Ad esempio, i dispositivi con grado di protezione IP20 sono utili all'interno di quadri elettrici o ambienti simili. La cifra 2 indica la protezione da particelle >12,5 mm, come dita o oggetti simili, mentre la cifra 0 indica l'assenza di protezione dall'ingresso di acqua.

Per gli ambienti più difficili, le classificazioni IP tipiche sono IP65, IP67 e IP69K, dove la cifra 6 indica un involucro sigillato e completamente a prova di polvere. Le classificazioni IP forniscono una protezione variabile contro l'acqua.

• Il grado di protezione IP65 indica che l'acqua proiettata da un ugello (6,3 mm) contro un involucro da qualsiasi direzione non avrà effetti dannosi.
• Il grado di protezione IP67 indica che non è possibile l'ingresso di acqua in quantità dannosa quando l'involucro è immerso in acqua fino a 1 metro.
• IP69K è per le apparecchiature utilizzate nei veicoli stradali e si applica ai lavaggi ad alta pressione e ad alta temperatura.

Piattaforma MultiFieldbus

La piattaforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 I/O di Siemens e i moduli di interfaccia possono scambiare simultaneamente dati con più controller utilizzando i protocolli PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP sullo stesso cavo. I protocolli di comunicazione sono tutti configurabili via software senza alcuna modifica hardware. La piattaforma SIMATIC ET 200 I/O completa con MultiFieldbus comprende anche moduli con grado di protezione IP20 per l'impiego in quadri elettrici, moduli con grado di protezione IP65 e IP67 per l'impiego in ambienti interni alle macchine e IP69K per l'impiego in ambienti esterni (Figura 2).

Figura 2: La piattaforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 I/O comprende diverse famiglie di dispositivi e può supportare installazioni per l'Impresa 4.0 in quadri elettrici, all'interno di macchine e all'esterno. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Il sistema può supportare la comunicazione simultanea con un massimo di sei PLC che utilizzano diversi protocolli fieldbus. Inoltre, sono disponibili moduli per IO-Link, Profibus, punto-punto (PtP), Controller Area Network (CAN), interfaccia sensore attuatore (Asi), interfaccia digitale indirizzabile per l'illuminazione (DALI) e multiplexer digitale DMX512. Gli I/O standard e quelli a prova di guasto possono essere combinati su un'unica stazione.

L'architettura multifunzionale e modulare del sistema supporta la personalizzazione di massa, una caratteristica distintiva delle fabbriche Impresa 4.0. Il cablaggio rapido è supportato da terminali a innesto e sono disponibili moduli per una serie di funzioni quali conteggio, monitoraggio dell'energia, avviamento di motori, ingressi di posizione, servoazionamenti, rilevamento della temperatura, I/O basati sul tempo e persino ricarica di veicoli elettrici. Molti dei moduli supportano PROFIenergy, un profilo del protocollo di comunicazione PROFINET che consente la gestione dell'alimentazione nei dispositivi di automazione industriale.

SIMATIC ET 200SP è un sistema I/O distribuito multifunzionale e scalabile con un'ampia gamma di moduli. Ad esempio, il modello 6ES71556MU000CN0 è un modulo di interfaccia a due porte per l'impiego all'interno di armadi di comando (Figura 3), mentre il modello 6ES71936BP000BA0 è un'unità di base SIMATIC ET 200SP con un ingombro particolarmente ridotto, progettata per l'installazione in piccole scatole di comando accanto alle macchine. Entrambi hanno un grado di protezione IP20 e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -30 °C e +60 °C.

Figura 3: 6ES71556MU000CN0 è un modulo di interfaccia a due porte da utilizzare all'interno dei quadri elettrici. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Moduli con tolleranza alle vibrazioni per catene di montaggio

SIMATIC ET 200AL è stato ottimizzato per applicazioni che prevedono il movimento, come catene di montaggio automatizzate e semiautomatizzate (Figura 4). I moduli sono in grado di gestire vibrazioni fino a 5 g in modo continuo, fino a un massimo di 10 g. Hanno un grado di protezione IP65/67 e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -25 °C e +55 °C. Il loro design compatto e leggero si adatta alle applicazioni di controllo distribuito sulle macchine. Sono disponibili con larghezze di 30 mm o 45 mm e supportano fino a 32 moduli per stazione. I moduli supportano l'integrazione di sensori e attuatori utilizzando connettori M8 o M12 a seconda del modulo. Sono inoltre dotati della funzionalità PROFIenergy.

Figura 4: I moduli ET 200AL (in basso a destra) sono ottimizzati per le applicazioni che prevedono il movimento e possono gestire vibrazioni fino a 5 g in modo continuo. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Esempi di moduli ET 200AL includono:

• Il modello 6ES71415BF000BA0 dispone di otto ingressi digitali e di prese M8 per il collegamento di sensori di prossimità e interruttori. Misura 30 x 159 mm.
• Il modello 6ES71445KD500BA0 dispone di otto ingressi analogici e di prese M12 per i collegamenti. I tipi di misurazione possono essere programmati per ciascun canale, tra cui tensione, corrente (trasduttori a 2 e 4 fili), resistenza (trasduttori a 2 e 3 fili) e termoresistenze (collegamenti a 2 e 3 fili). Ha una risoluzione di 16 bit e misura 30 x 159 mm.

Moduli con grado di protezione IP65/67 per il montaggio su macchina

I moduli SIMATIC ET 200pro sono classificati IP65/67 e progettati per l'installazione all'esterno di un quadro comandi, direttamente sulla macchina. Grazie alla connessione wireless, questi moduli sono adatti ad applicazioni come i veicoli a guida automatica, la gestione degli edifici, la logistica di magazzino e i sistemi di monorotaia elettrica. Questa famiglia può essere sostituita a caldo e comprende moduli con unità di elaborazione centrale (CPU), moduli di interfaccia, moduli I/O e moduli funzionali.

La serie ET 200pro include funzioni come IO-Link e l'identificazione in radiofrequenza (RFID). I moduli di avviamento motore possono essere utilizzati per l'avviamento e la protezione di motori e carichi fino a 5,5 kW. Sono disponibili versioni a sicurezza intrinseca in grado di supportare il livello di integrità della sicurezza (SIL) 3. Il modulo convertitore di frequenza può essere utilizzato per il controllo a circuito aperto o chiuso dei motori a induzione. Il modulo di misurazione della temperatura 6ES71444JF000AB0 è flessibile e può essere programmato per utilizzare una serie di termoresistenze (RTD), tra cui Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 e NI1000, e può indicare la temperatura in gradi Celsius o Fahrenheit.

Moduli per il montaggio su macchina per aree esterne e pericolose

I moduli SIMATIC ET 200eco PN offrono un blocco I/O compatto con grado di protezione IP65 e IP67 e sono adatti all'installazione senza armadio direttamente sulla macchina. Come tutti i moduli ET 200, supportano PROFINET, Ethernet/IP e Modbus TCP. Questi moduli sono dotati di un alloggiamento in zinco pressofuso completamente sigillato e sono resistenti alle vibrazioni, alla polvere, all'olio e all'umidità, rendendoli adatti alle installazioni esterne. Vantano una temperatura di funzionamento da -40 °C a +60 °C. La serie ET 200eco PN è approvata dalla direttiva ATEX (Atmosfere esplosive) dell'Unione Europea (UE) e può essere utilizzata in aree pericolose fino alla Zona 2.

Per i dispositivi conformi alla specifica IO-Link V1.1, i parametri del dispositivo e del master possono essere trasferiti automaticamente utilizzando la funzione di avvio automatico senza alcuna configurazione precedente, se un dispositivo deve essere sostituito. Ad esempio, il modulo 6ES71486JG000BB0 può funzionare come dispositivo master IO-Link V1.1 e comprende un mix di 4 porte IO-Link di classe A e 4 di classe B (Figura 5). Le porte possono funzionare come ingressi o uscite digitali a seconda dell'assegnazione dei parametri. È classificato IP67 e IP69K e supporta tre velocità di trasmissione: 4,8 kBd su COM1, 38,4 kBd su COM2 e 230,4 kBd su COM3.

Figura 5: Il modulo SIMATIC ET 200eco PN (a sinistra) e in primo piano un'installazione tipica (a destra) (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Conclusione

L'implementazione delle reti Impresa 4.0 è complessa e deve tener conto di molteplici interfacce di comunicazione e di ambienti operativi diversi. Per ottimizzare le reti di fabbrica, i progettisti possono utilizzare la piattaforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 di Siemens per scambiare simultaneamente dati con un massimo di sei PLC che utilizzano i protocolli PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP sullo stesso cavo.

Letture consigliate

1. Supporto alla personalizzazione di massa, all'alta qualità e alle operazioni sostenibili nelle fabbriche dell'Impresa 4.0
2. Come connettere i sistemi di automazione di fabbrica legacy all'Impresa 4.0 senza interruzioni