RFID, WIRELESS e GPS: nuovi orizzonti nell automazione

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1 Piero G. Squizzato RFID, WIRELESS e GPS: nuovi orizzonti nell automazione Le trasmissioni in radiofrequenza hanno avuto continue evoluzioni nell ultimo decennio che, oltre a diffondersi in ogni campo della comunicazione e della multimedialità, stanno interessando in maniera profonda anche il settore della strumentazione e dell automazione per macchinari ed impianti industriali. I fattori determinanti che ne hanno consentito lo sviluppo e la diffusione sono stati l aumento delle intensità dei segnali in radiofrequenza, con elementi di trasmissione e ricezione più discriminanti e la miniaturizzazione sia dei componenti elettronici sia delle unità trasmettitrici e ricevitrici. Le tre tecnologie che più influenzano le applicazioni nello scenario della strumentazione e dell automazione, si possono identificare nelle: Rfid, Wireless e Gps. I vantaggi primari delle tre soluzioni tecnologiche in esame sono nell eliminazione dei conduttori elettrici per la trasmissione dei segnali di misura, di comando, congiunta alla ricerca nella riduzione dell alimentazione elettrica. I problemi nel tipo d informazione in radiofrequenza sono legati alla verifica del dato trasmesso e dalla certezza della sua identità per evitare segnali spuri o intrusioni indesiderate. Lo stato dell arte delle soluzioni tecnologiche sviluppate, ma sempre in continua evoluzione, presenta tecniche di notevole interesse e già ora con importanti vantaggi economici, rispetto alle soluzioni tradizionali. La priorità attuale è la preparazione tecnica dei progettisti ed installatori per l accettazione delle nuove tecnologie della radiofrequenza, spesso osteggiate dalla mancanza di conoscenza specifica e per i notevoli timori di una consistente riduzione del proprio apporto di lavoro nelle realizzazioni impiantistiche. Le tre soluzioni in esame: Rfid, Wireless e Gps, pur avendo in comune le trasmissioni in radiofrequenza, presentano soluzioni applicative complementari e/o integrative nella realizzazione dei sistemi di misura e controllo, un analisi di alcune funzionalità consente di orientare gli specialisti di strumentazione ed automazione nella scelta di nuove soluzioni applicative. I termini che identificano le tre soluzioni, sono acronimi della descrizione completa in inglese dell apparecchiatura e dell applicazione; attualmente i vocaboli sono comunemente utilizzati nel linguaggio per la telefonia mobile, i PC portatili e la logistica nelle merci e nei prodotti. RFID L identificazione di merci e prodotti con tecnologia in radiofrequenza, è da molti anni ricercata dall industria e dalla distribuzione, per la gestione in tempo reale di produzioni, scorte e logistica Unità RFID su supporto plastico per inserimento su prodotti (Omron Electronics) 19

2 Sistema di lettura scatole con RFID per trasporto su carrello (Omron Electronics) aziendale. La sigla RFID è l acronimo di Radio Frequency Identification e consiste in un chip che memorizza informazioni. Dieci anni fa, le prime soluzioni, erano identificate come transponder, che oltre al prezzo elevato, presentavano problemi di dimensioni sia nel microchip, sia nelle antenne di lettura o d impostazione. Gradualmente, con la miniaturizzazione dei componenti elettronici, la diffusione con riduzione dei costi e l incrementata distanza operativa, hanno consentito la realizzazione di unità con prezzi sempre più vicini a quelli di un etichetta stampata. Le applicazioni si stanno diffondendo in molti settori industriali e per diversi utilizzi anche nei campi della sanità e della farmaceutica, garantendo la sicurezza operativa per l identificazione certa dei prodotti e della loro destinazione. La miniaturizzazione del RFID va a risolvere le problematiche dei piccoli prodotti, dove in un sensore o trasduttore con dimensioni di pochi millimetri è impossibile imprimere o stampare il modello, il numero di serie, l anno di costruzione ed altre caratteristiche. La termosaldatura di un microchip protetto in una superficie dello strumento consente di memorizzare tutti i dati necessari anche per la validità della garanzia, potendo leggere i dati con gli speciali lettori di memorie. Dal punto di vista della sicurezza dei dati trasmessi via radio, cioè wireless, la conferma che il messaggio ricevuto, che include il dato sia affidabile, può essere verificata con richiesta del codice memorizzato nel RFID che convalida la provenienza. I segnali generati dal RFID hanno un raggio d azione di pochi metri. E possibile l interfacciamento con moduli GPS e wireless che ne consentono la trasmissione su lunghe distanze. La logistica è il settore attualmente più sviluppato nell applicazione dell identificazione a distanza, per la lettura del codice prodotto e per la loro quantità in modo automatico. I dati sono inseriti nei sistemi computerizzati gestionali in grado di informare in tempo reale le movimentazioni. Da alcuni anni i produttori d imballaggi di cartone inseriscono nelle scatole, durante le operazioni finali di taglio e piega, il microchip per l identificazione a distanza dei dati che saranno memorizzati durante il confezionamento e letti durante le movimentazioni e la distribuzione. Il RFID può essere definito come un metodo d identificazione che utilizza le onde radio, cioè un lettore comunica con un codice, il quale contiene le informazioni digitali nel microchip. Le informazioni sono trasferite ad un sistema gestionale che ne descrive esattamente il contenuto, il prodotto e la data. C è stata un evoluzione del tipoi, tanto da consentire la scelta per l impiego in base alle relative applicazioni. Il tipo LF (Low Frequency), ad un costo superiore e con un buon campo d azione, viene utilizzato nei trasporti su camion e container. Il tipo HF (High Frequency), a basso costo e con un campo d azione ridotto, è utilizzato per identificazione di pallet, prodotti cartari e l identificazione di prodotti per la grande distribuzione. Il tipo UHF (Ultra High Frequency), ad un costo ridotto e campo d azione au- Serie di unità RFID per applicazioni industriali e logistiche (Siemens) 20

3 mentato, trova utilizzo nei pallet, container, scatole e tutti i prodotti di pregio. Inoltre, i RFID sono identificati per classi, dove la 0 è del tipo monouso con programmazione in fabbrica, la classe 1 con lettura e scrittura con funzioni di riscrivibilità, i tipi di classe 2 per funzionalità complete e per la doppia sicurezza nei codici. La loro scelta dipende esclusivamente dai costi, poiché anche le caratteristiche di quelli a basso costo sono più che soddisfacenti per una sicura identificazione. Considerando le ridotte dimensioni (inferiori a 0,5 mm di spessore, 1 mm di larghezza e alcuni mm di lunghezza), il RFID ha la capacità di memorizzare informazioni per oltre 30 caratteri alfanumerici. C è un notevole interesse sugli sviluppi dei sistemi di lettura, identificati anche come antenne in grado di eseguire letture a distanze sempre maggiori e con orientamento guidato. Gli attuali lettori di codici hanno dimensioni e capacità di lettura degli identificatori in radiofrequenza, sia in base allo specifico utilizzo che per la sicurezza della lettura. Nelle movimentazioni dei prodotti in magazzino, le antenne possono avere dimensioni contenute per trasporti su nastri di grandi dimensioni e per le movimentazioni su carrelli. Unità tranceiver per trasmissione wireless (Phoenix Contact) WIRELESS Le trasmissioni senza fili di segnali ed informazioni sono anche identificate con il termine inglese wireless, ossia senza il supporto di conduttori elettrici. La tecnologia deriva dalle applicazioni nei sistemi di telemisura e telecontrollo, per letture e comandi a distanza nelle reti di distribuzione e verso impianti non presidiati. I sistemi utilizzano ponti radio con segnali di potenza e canali di trasmissione, concordati con le autorità della comunicazione delle aree attraversate. Le novità che hanno consentito la diffusione delle nuove soluzioni sono: la standardizzazione dei segnali, la miniaturizzazione dei moduli di trasmissione e ricezione, soluzioni che hanno permesso lo sviluppo di sistemi a costi contenuti. Il sistema di trasmissione bidirezionale wireless consente di trasmettere senza fili in entrambe le direzioni due segnali digitali ed un segnale analogico da 4-20 ma. L utilizzatore può ora disporre, oltre che del sistema unidirezionale, anche di una soluzione attiva in entrambe le direzioni per la sicura trasmissione dei segnali analogici e digitali. Il set è composto di due tranceiver (apparecchiature di trasmissione/ricezione) e due antenne che operano sulla frequenza ISM a 2,4 GHz. Questo sistema basato sulla tecnologia FHSS, ha il vantaggio di tollerare i disturbi al posto di sopprimerli. Il progettista e l utente possono contare su di un sistema veloce, semplice, plug and play che consente di trasmettere segnali, che in passato potevano essere acquisiti soltanto con trasmissione su conduttori protetti se non addirittura in conduit, con notevoli oneri finanziari e progettazione gravosa. Affiancando semplicemente al tranceiver dei moduli d espansione, per segnali digitali e analogici, la stazione radio può essere adattata al numero di segnali necessario. Con un sistema bidirezionale wireless, composto di moduli standard, si possono trasmettere decine di segnali analogici o un centinaio di segnali digitali. Il sistema di trasmissione via radio consente di realizzare connessioni punto- 21

4 Gruppo di trasmissione dati GSM e localizzatore GPS (Somefi) punto, ma anche sistemi a più ricevitori per la ripartizione dei segnali. I tranceiver possono essere utilizzati come ripetitori per la copertura di distanze di trasmissione maggiori o per aumentare la qualità del segnale in applicazioni critiche. La vasta gamma di accessori, dalla protezione contro le sovratensioni all antenna direzionale, accresce il grado di sicurezza e permette di raggiungere distanze di trasmissione fino a 3 chilometri. La diffusione dello standard Bluetooth rende ora possibile avvalersi, in totale sicurezza, dei vantaggi di un collegamento radio per la trasmissione dati rapido ed economico. I convertitori Bluetooth utilizzati per la trasmissione wireless di dati seriali RS 232, RS 422 e RS 485, sostituiscono così i cavi in modalità di connessione punto-punto o multipunto. Inoltre, ogni convertitore può essere utilizzato come access point per terminali compatibili, per leggere tramite notebook o modalità PDA le condizioni operative o svolgere le funzioni di diagnostica o parametrizzazione. La protezione contro l'accesso non autorizzato è assicurata da password, da elenchi di unità con diritto di accesso e da assegnazione logica fissa di due unità. La semplice messa in funzione delle unità viene supportata dalla diagnostica Bluetooth integrata, che consente la visualizzazione della qualità del segnale nel collegamento radio. La potenza di trasmissione è inoltre regolabile entro ampi range tramite un software in dotazione, utilizzato per adattare l'estensione della stazione radio secondo le esigenze. Gli apparecchi possono essere di due tipologie per il montaggio su guide EN in quadri elettrici o per l'innesto sulla porta seriale di un PC portatile. L elevata sicurezza e la velocità di trasmissione dello standard Bluetooth sono garantite dalla tecnologia di salto di frequenza FHSS nella banda ISM da 2,4 GHz. La potenza di trasmissione ammessa di 100 mw consente una copertura fino a 150 m. La realizzazione di sistemi wireless può porre il problema dell alimentazione dei convertitori o tranceiver installati negli impianti di processo o nei macchinari. La maggior parte delle applicazioni finora realizzate hanno risolto problemi rinviati per l onerosità dei collegamenti, ma in tutti i siti è disponibile l alimentazione di motori, pompe o agitatori consentendo di ricavare con opportuni alimentatori una facile fonte energetica, anche per le basse potenze richieste dagli strumenti da collegare. Il sistema GSM (Global System for Mobile Communications) sta producendo ulteriori sviluppi nella comunicazione wireless, già nella sua evoluzione 2,5G introdotta nell anno 2000 dove è stata ottenuta una buona capacità di trasmissione di dati. La terza generazione (3G), identificata come UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), ha aperto le porte alle applicazioni basate su internet. La possibilità di utilizzare protocolli standard, consente l inserimento delle co- Serie di antenne GPS per collegamento a strumenti ed apparecchiature (Panasonic) 22

5 municazioni di dati e comandi del processo dalla rete gestionale dell unità produttiva, ovviamente con le massime protezioni di sicurezza per evitare ogni intrusione da parte di operatori non autorizzati. Gli sviluppi applicativi sono in continua evoluzione per: teleassistenza, diagnostica, letture remote, comandi a distanza ed interventi d emergenza. Soluzioni che hanno orientato diverse aziende del settore impiantistico per l automazione industriale, allo studio di soluzioni in problematiche finora risolte con apparecchiature e sistemi richiedenti notevoli investimenti. GPS La localizzazione della posizione nelle trasmissioni di dati e segnali con teletrasmissione satellitare è identificata dalla sigla Gps (Global Positioning System), che gradualmente si sta diffondendo nella strumentazione e nell automazione industriale nell industria di processo e nelle reti di distribuzione. Le trasmissioni satellitari stanno rivoluzionando il campo applicativo nelle quali le informazioni viaggiano. Il completo sfruttamento di questa tecnologia consente di raggiungere un elevato grado di compattezza e di peso ridotto nelle apparecchiature e nei componenti. Sono da alcuni anni disponibili delle complete gamme di antenne, per rispondere alle richieste di applicazioni che stanno nascendo nei vari settori industriali, sempre con dimensioni di pochi mm, pesi minimi fino a soli 35 grammi e costi ridotti. L utilizzo dei Gps è iniziato con applicazioni nella sicurezza delle trasmissioni, con informazioni guidate in specifiche aree operative a loro volta localizzate, con verifica della certezza posizionale del gps. Tutti gli impianti produttivi hanno personale in campo per supervisione dei macchinari, interventi di assistenza e di manutenzione, verifica all avviamento dei macchinari con esame degli strumenti in campo. La localizzazione in tempo reale di tutti gli operatori negli impianti, con visualizzazione nella sala controllo su una dettagliata mappa dello stabilimento o dell unità produttiva, si è dimostrato di notevole interesse per la comunicazione ed interventi localizzati, particolarmente se necessari in condizioni d emergenza o di pericolo. La nuova tecnologia gps diventa una reale ed affidabile alternativa ai precedenti sistemi di comunicazione vocale walkietalkie, in grado di trasmettere la comunicazione ma non di identificare la posizione di provenienza. Da alcuni anni gli strumenti di misura con trasmissione dati wireless sono dotati di Gps per localizzare in modo certo la provenienza dei segnali. Tra i vari tipi disponibili sono da evidenziare i contatori volumetrici utilizzati nelle autobotti per la distribuzione dei carburanti. Le autobotti nel loro ciclo di consegne forniscono diverse stazioni di servizio e/o utilizzatori. Al termine di ogni operazione, il sistema di conteggio del prodotto trasferito trasmette il valore alla sede del deposito confermando la localizzazione con un segnale di posizione dal Gps. L utilizzo dei sistemi Gps ha trovato molte applicazioni nelle unità robotizzate mobili e nei carrelli elevatori. La localizzazione nelle aree aziendali consente l analisi delle lavorazioni e lo stato dei macchinari, la posizione se a distanza notevole dal punto di lavoro, il sistema può programmare una riduzione delle velocità operative delle macchine che saranno sincronizzate a regime, quando il pezzo da lavorare è arrivato nell area operativa. I sistemi di gestione per i processi manifatturieri sono configurati con nuovi programmi, identificati come M2M (Machine-to Machine Communications), in grado di ottimizzare il ciclo operativo a condizione di costi più favorevoli. Anche la tecnologia di trasmissione satellitare è in continua evoluzione. Si presentano nuovi schemi e bande di frequenza in grado di consentire sempre maggiore precisione ed affidabilità. Tra i nuovi ed attuali sistemi di trasmissione e localizzazione satellitare troviamo il PPS (Military Precise Positioning Service receivers) ed il SPS (Small civil Standard Positioning Service). La combinazione con le tecnologie wireless e RFID è in grado di realizzare networks di comunicazione in sicurezza, pur utilizzando solo le radioonde. Unità di carico/scarico su autobotti con sistema di trasmissione e GPS (Somefi) 23

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