COMUNICAZIONE INDUSTRIALE

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1 Armando Martin COMUNICAZIONE INDUSTRIALE Rassegna delle tecnologie e degli standard Ethernet, wireless, fieldbus e seriali utilizzati nell industria e nell automazione

2 Un sentito ringraziamento a: Alessandro De Carli, Andrea Fiaschetti, Valentino Bortone, Carlo Marchisio, Paola Fraschini, Franco Canna, Paolo Sartori, Barbara Weber, Antonella Galimberti, Randy Condor, Adele Muir 2010 Editoriale Delfino srl via Lomellina, Milano Tel Fax Prima edizione 2010 I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento totale o parziale, con qualsiasi mezzo (microfilm, copie fotostatiche compresi), sono riservati per tutti i paesi. L Editore potrà concedere a pagamento l autorizzazione a riprodurre una porzione non superiore a un decimo del presente volume e fino a un massimo di settantacinque pagine. Le richieste di riproduzione vanno inoltrate all Associazione Italiana per i diritti di Riproduzione delle Opere dell Ingegno (AIDRO), via delle Erbe, Milano Tel. e Fax 02/ Si ringrazia Dino Pellizzaro per il contributo alla realizzazione del volume Grafica: Grafic House (massimodonofrio@grafichouse.org) Stampa: Abbiati - via Padova, Milano Finito di stampare nel mese di luglio 2010 Prodotto interamente realizzato in Italia Codice ISBN: II

3 PREFAZIONE Nell automazione di un sistema l individuazione delle finalità che devono essere raggiunte, in termini di qualità delle prestazioni, è preliminare alle altre attività da svolgere fino alla realizzazione e alla messa in funzione del sistema controllato. Nei sistemi complessi, ottenuti dall aggregazione di molteplici sottositemi, ognuno caratterizzato da una propria individualità e funzionalità, il problema che attualmente riveste maggiore interesse è quello collegato alla progettazione del rinnovamento e dell ammodernamento della strumentazione, dal momento che non risulta economicamente conveniente rinnovare la loro realizzazione fisica. In quei sistemi in cui, pur sussistendo le caratteristiche di complessità, possono essere progettati e realizzati ex novo, il problema della progettazione integrata del sistema da controllare e del sistema di automazione risulta particolarmente importante per ottenere un sostanziale miglioramento nella qualità delle prestazioni del sistema controllato rispetto a quelli già realizzati e funzionanti. In entrambi i casi, la qualità delle prestazioni dipende dalla realizzazione delle reti di comunicazione che consentono lo scambio di dati e di messaggi sia all interno del sistema controllato, sia nel contesto esterno. Tale aspetto diventa ancora più importante quando l obiettivo è quello di rendere operative modalità di controllo che coinvolgono la conduzione e la gestione e sono intese a migliorare l efficienza, la sicurezza, la continuità di esercizio dell intero sistema controllato complesso. La progettazione delle reti di comunicazione richiede innanzitutto una conoscenza aggiornata, oltre che delle realizzazioni tecnologiche, anche delle architetture di rete, delle modalità operative e dei vincoli relativi alle normative vigenti. La reti di comunicazione costituiscono infatti quei componenti che danno vita ad un sistema di automazione in quanto consentono di interconnettere i III

4 sensori e gli attuatori, con i dispositivi di elaborazione delle modalità di controllo e con il sistema da controllare. La rivoluzione tecnologica delle telecomunicazioni, che si è avuta negli ultimi anni, ha avuto un riscontro significativo anche nel mondo industriale ed in particolare nella realizzazione dei sistemi controllati complessi. Nel presente trattato viene esplorato il mondo delle comunicazioni industriali e vengono fornite le principali informazioni riguardanti le problematiche emergenti in questo settore, quali l affidabilità, la sicurezza, la standardizzazione, suggerendo le soluzioni più idonee per affrontarle (pila protocollare, piramide dell automazione, bus di campo, Ethernet industriale, tecnologie wireless, sistemi embedded ecc.). La struttura di questo trattato ricalca la struttura di una rete di comunicazione. Infatti, a partire dallo strato fisico e dalle tecnologie utilizzate per trasferire l informazione a livello di campo, vengono presentati i protocolli per la gestione delle informazioni a livello di conduzione degli impianti e di gestione dell intero sistema complesso. Vengono ripercorsi circa 50 anni di sviluppi tecnologici, dai primi sistemi analogici per pilotare gli attuatori, fino alle moderne tecnologie wireless per sistemi embedded, il tutto con un occhio costantemente rivolto al mercato e agli aspetti concreti e applicativi delle comunicazioni industriali, tralasciando tecnicismi e dissertazioni che trovano invece ampio spazio nei manuali e negli standard a disposizione degli utilizzatori. Innanzitutto viene posta particolare attenzione alle problematiche riguardanti la sicurezza (intesa come Security e Safety) che nell insolito scenario di un impianto industriale riveste aspetti particolarmente critici, strettamente collegati anche alla standardizzazione. La trattazione risulta essere ampia e aggiornata fornendo una panoramica delle varie problematiche che coinvolgono le scelte da effettuare per una corretta progettazione concettuale delle reti di comunicazione applicata ad un sistema automatizzato complesso. Successivamente vengono prospettate le soluzioni industriali che seguono uno sviluppo spesso proprietario e indipendente, in cui occorre risolvere quei problemi di compatibilità ed efficienza che possono essere affrontati solo con una graduale convergenza delle tecnologie, quali ad esempio quelle fornite dai bus di campo (o fieldbus), da Ethernet in versione industriale e dal mondo wireless. Ed è proprio la comunicazione wireless uno dei capitoli cui viene dedicata maggiore attenzione. Se infatti lo sviluppo delle telecomunicazioni è stata la rivoluzione più importante degli ultimi decenni, l introduzione delle tecnologie wireless è stata l innovazione più importante che ha coinvolto negli ultimi anni l Information and Communication Technology (ICT). Attualmente è quantomai fondamentale, in molti impianti di produzione, trasmettere l informazione senza limiti fisici e vincoli di cablaggio, avendo garantiti gli stessi parametri di Qualità del Servizio (QoS) di una rete cablata. L abitudine consolidata di considerare le reti di comunicazione come un accessorio del sistema industriale, unitamen- IV

5 te all usanza di individuare di volta in volta una soluzione contingente ai problemi che si presentano, ha determinato la mancanza, almeno in Italia, di un testo di divulgazione che delinei lo stato dell arte delle reti di comunicazione industriale in modo organico e completo. Il presente trattato vuole costituire il primo passo verso questa scolarizzazione del settore, le cui conseguenze saranno tangibili una volta che si avrà ben chiara l importanza dell argomento e dei benefici che un approccio strutturato può dare. Pertanto, non essendo disponibili testi di analogo contenuto, questo trattato può risultare di grande ausilio per coloro che intendono mantenere vivo l aggiornamento, per coloro che hanno la responsabilità delle scelte progettuali, per i responsabili tecnici di impianto, per gli integratori di sistemi, per gli addetti alla manutenzione, ma soprattutto per gli studenti dei corsi di Laurea in Ingegneria che desiderano acquisire una valida formazione nell Automazione. Alessandro De Carli e Andrea Fiaschetti La Sapienza, Università degli Studi di Roma, Dipartimento di Informatica e Sistemistica V

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7 INDICE Prefazione Capitolo 1 - Uno sguardo al mercato 1 Capitolo 2 - Reti di comunicazione nell industria Modelli tradizionali Reti informatiche Reti di controllo e bus di campo (fieldbus) Tendenze 5 Capitolo 3 - Modello CIM Livello 1, sensori / attuatori Livello 2, controllo di macchina Livello 3, controllo di cella Livello 4, controllo di area 7 Capitolo 4 - Modello ISO / OSI Livello Fisico Livello Collegamento (connessione dati) Livello Rete Livello Trasporto (formazione dei blocchi di dati) Livello Sessione Livello Presentazione (dei dati) Livello Applicazione 11 Capitolo 5 - Reti informatiche e standard Ethernet Topologie Apparati di rete Bridge Gateway Hub Modem 14 V VII

8 Ripetitore (Repeater) Router Ricetrasmettitore (Transceiver) Reti geografiche Modelli di rete Concetto di protocollo Cenni sui protocolli di rete Protocollo MAC Ethernet Fast Ethernet e Gigabit Ethernet 20 Capitolo 6 - Sistemi bus per l industria Bus di campo (fieldbus) Normative Progettare con i bus di campo Benefici con i bus di campo Bus di campo per il manufacturing Bus di campo per il controllo di processo Bus di campo per i sistemi elettrici Bus di campo per sensori e attuatori Principali bus di campo ARCNET (Attached Resource Computer Network) AS-I (Actuator Sensor Interface) BITBUS CAN (Controller Area Network) CANopen CC-Link (Control & Communication Link) ControlNet DeviceNet EnDat Fieldbus Foundation Hart Interbus Interbus S M-BUS (Meter Bus) Modbus Modbus Plus ModBUS RTU P-NET Profibus (PROcess FIeld BUS) Profibus DP Profibus FMS Profibus PA Sercos (Serial Real-Time Communicating System) World-FIP (Factory Instrumentation Protocol) 36 Capitolo 7 - Ethernet industriale e comunicazione real-time Implementazioni industriali di Ethernet 38 VIII

9 7.2 - Principali standard Ethernet Industriale CC-Link IE EtherCAT Ethernet / IP Ethernet Powerlink (EPL) FL-NET ModBUS/TCP-IDA HSE (High Speed Ethernet) Modbus/TCP-IDA Profinet SERCOS-III 41 Capitolo 8 - Security nelle reti IT e industriali Sicurezza negli SCADA e nelle reti di controllo Ruolo degli standard Uno scenario in continua evoluzione 45 Capitolo 9 - Safety e comunicazione fail safe Tipi di sicurezza e normative Sicurezza e reti di comunicazione Principali sistemi di comunicazione safety CIP Safety DeviceNet Safety Ethernet/IP Safety SafetyBUS p Safety over Ethercat Powerlink Safety PROFIsafe 52 Capitolo 10 - Comunicazione wireless Tecnologie disponibili Networking Robustezza della trasmissione e interferenze Tecnologia RFid Wireless Ethernet Reti Mesh WSN (Wireless Sensor Network) La questione sicurezza Reti WUSB Reti Zigbee Reti Bluetooth Reti WirelessHart Reti Oil & Gas Principali standard wireless nell industria Bluetooth EDGE GSM (Global System of Mobile communication) GSM-R (Global System of Mobile communication-railway) 66 IX

10 X GPRS (General Packet Radio Service) GPS (Global Positioning System) HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ISA RFid (Radio Frequency IDentification) UMTS Wi-Fi WirelessHart Zigbee IEEE Capitolo 11 - IFD e Smart Sensor Smart Sensor TEDS Standard FDT/DTM Interfacce Ethernet nei sensori 75 Capitolo 12 - Interfacce analogiche e seriali Interfacce analogiche Standard 4-20 ma Protocollo Hart Trasmissione seriale Firewire IEEE 488 / GPIB LXI PCI (Peripheral Component Interconnect) PC/ PCI Express PXI (PCI extentions for Instrumentation) RS RS SATA (Serial Advanced Technology Attachment) USB VXI 81 Capitolo 13 - I bus per sistemi embedded PCI Express Evoluzioni di PCI Concorrenti switched fabric e general purpose Da VME a VPX Sistemi embedded distribuiti, I2C e CAN 86 Capitolo 14 - Sistemi di comunicazione nel motion control Interfacce bus ad alta velocità Fieldbus Ehernet real-time 90 Capitolo 15 - Sistemi di comunicazione negli edifici e nelle infrastrutture 91

11 Cenni di cablaggio strutturato Sistemi bus per la domotica e il building automation Principali standard di comunicazione BacNet (Building Automation and Control Network) Batibus (Batiment Intelligent Bus) CEBus (Consumer Electronic Bus) DALI (Digital Addressable Lighting Interface) EDS (En-Decoder System) EHS (European Home System) EIB (European Installation Bus) EnOcean HBS (Home Bus System) HES (Home Electronic System) KNX Konnex LonWorks OSGI (Open Service Gateway Initiative) PLC (Power Line Communication) ShareWave UPNP (Universal Plug and Play) VESA HOME Network X Z-Wave 100 Capitolo 16 - Apparati di networking industriale Connettività Ethernet e seriale Convertitori di bus di campo Convertitori ottici Moduli embedded 103 Capitolo 17 - Standard e protocolli informatici RTDB (Real Time Data Base) Programmazione distribuita (IEC e IEC 61499) Programmazione Object Oriented e Aspect Oriented OPC SOAP e XML Gestione integrata delle informazioni 108 Capitolo 18 - Telecontrollo e reti elettriche intelligenti (smart grid) Protocolli reti elettriche (IEC 870) Smart Grid 112 Appendici 115 I - Bus di campo 115 II - Standard Wireless per l industria 118 III - Standard industrial Ethernet 120 Bibliografia 122 Glossario 123 XI

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