L’Industrial Internet of Thing è uno dei temi caldi degli ultimi anni. Senza dubbio la IIoT è alla base della creazione delle cosiddette Smart Factories, le nuove fabbriche intelligenti della quarta rivoluzione industriale. Smart sensors, connessioni superveloci, algoritmi di intelligenza artificiale sono i pilastri portanti di questa nuova visione dell’elettronica industriale. Ciò che permette lo scambio di informazioni tra dispositivi intelligenti, o tra dispositivi e server (talvolta servizi in cloud), sono ovviamente i protocolli di comunicazione. In questo articolo vediamo una panoramica dei protocolli maggiormente utilizzati, cercando di capire dove conviene adottarne uno piuttosto che un altro.
I protocolli di comunicazione sono alla base delle reti di calcolatori, intese come dispositivi con capacità di elaborazione in grado di scambiarsi dati ed informazioni a distanza, tramite un mezzo fisico di comunicazione (sistemi cablati o sistemi wireless).
L’organizzazione internazionale per gli standard ISO ha adottato il modello OSI (Open Systems Interconnection), ormai conosciuto come modello ISO/OSI, il quale definisce i livelli che costituiscono lo stack di una rete.
Il modello ISO/OSI
Questo modello è stato pensato per permettere lo scambio dati tra due nodi di una rete di calcolatori con commutazione di pacchetto. L’architettura del modello ISO/OSI è uno stack composto da 7 strati logici, in cui ogni livello si occupa di risolvere una precisa problematica della comunicazione; in questo modo i compiti di ogni livello sono ben definiti, ed il pacchetto di uno strato compone il payload di informazione per lo strato immediatamente superiore, il quale aggiungerà un header di metadati, indispensabile per assolvere alle proprie funzioni.
I livelli del modello ISO/OSI, dallo strato più basso al più alto, sono i seguenti:
- livello fisico: definisce il mezzo fisico di comunicazione, i livelli di tensione e le forme d’onda dei segnali ricetrasmessi.
- livello di collegamento dati (data-link): permette di inviare uno stream di dati sincronizzato, controllando (e risolvendo dove possibile) gli errori, in modo da assicurare al livello successivo un canale trasmissivo affidabile.
- livello di rete: permette l’utilizzo di un canale dati astraendo dal mezzo trasmissivo utilizzato, e si occupa di far arrivare i dati trasmessi dal mittente al destinatario (indirizzamento e instradamento dei messaggi).
- livello di trasporto: permette un trasferimento dati trasparente ed affidabile, e si occupa dell’instaurazione e mantenimento delle connessioni.
- livello di sessione: si occupa del mantenimento delle connessioni tra applicazioni.
- livello di presentazione: si occupa della standardizzazione della comunicazione tra applicazioni, e di servizi comuni quali crittografia o compressione dei dati.
- livello di applicazione: permette di interfacciare l’applicazione utente con i flussi di rete.
Bus di campo
Tra le varie tecnologie di comunicazione e relativi protocolli, il mondo industriale ha utilizzato storicamente i cosiddetti bus di campo, ovvero linee di comunicazione wired pensate appositamente per lo scambio dati tra sensori, attuatori e sistemi intelligenti nelle reti industriali.
Nel 2020, HMS Industrial Networks ha stimato al 30% l’incremento dei dispositivi facenti uso di questo tipo di comunicazione.
Uno dei bus di campo più famoso ed utilizzato è il PROFIBUS (Process Field Bus), nato alla fine degli anni ’80. Siemens è stata una delle aziende che hanno partecipato allo sviluppo di questa tecnologia, successivamente resa pubblica e standardizzata nella IEC 61158. Il PROFIBUS è un bus di campo monomaster multislave, e la sua specifica prevede l’implementazione del livello fisico, data link e applicativo. Il fisico può essere realizzato tramite bus a standard RS485 (adattato in impedenza a 150 Ohm, con baudrate da 9.6 kbps a 12 Mbps, e distanze fino a 1200 m), bus Manchester o fibra ottica (nel qual caso le distanze di collegamento possono arrivare a 15 km), mentre il livello data link prevede l’utilizzo di un protocollo di tipo token ring master-slave.
Più o meno nello stesso periodo storico, la Bosch ha progettato e implementato il CANBUS (Controller Area Network bus), protocollo robusto basato su scambio di messaggi. Il CANBUS nasce per l’utilizzo nell’automotive, dove c’era necessità di diminuire i cablaggi ed ottenere comunicazioni esenti da disturbi elettrici. L’accesso al bus, di tipo differenziale, è di tipo concorrente, ed è reso sicuro da un meccanismo di priorità degli indirizzi (tutti i nodi ascoltano il canale mentre trasmettono contemporaneamente: se si accorgono che sul canale c’è un messaggio con priorità più alta, interrompono la trasmissione liberando il canale). Il CANBUS specifica il livello fisico (ISO 11898), il livello di trasporto e il livello applicativo (in cui sono dettagliati il filtraggio e la gestione dei messaggi).
Più anziano, e per certi versi limitato, è il MODBUS, un protocollo monomaster multislave nato alla fine degli anni ’70 per l’utilizzo nelle applicazioni industriali facenti uso di PLC. Che il MODBUS sia un protocollo più datato si evince anche dalla nomenclatura dei dispositivi controllati: un output fisico, infatti, è un coil (riferito alla bobina di un relè), mentre un input è un componente discreto o contatto; col passare del tempo, sono stati aggiunti input e output di tipo virtuale (registri), ma grazie alla sua semplicità di implementazione, il MODBUS rimane uno dei bus più in uso nel mondo industriale. Quando si parla di MODBUS, in realtà si parla di un protocollo che è stato portato su una moltitudine di bus fisici, e che ha svariate implementazioni. Il più comune è il MODBUS RTU, che si appoggia ad un bus RS485, con baudrate che va dai 9600 bps ai 115200 bps, implementabile da un semplice microcontrollore con comunicazione seriale.
Ethernet industriale
Per Ethernet Industriale (IE) si intende l’utilizzo del protocollo Ethernet in ambito industriale. I dispositivi che fanno uso di questa tecnologia implementano lo strato Ethernet aggiungendo caratteristiche idonee ai processi e all’ambiente industriale, quali componentistica adatta per temperature e necessità meccaniche, e protocolli a basse latenze (real-time). L’uso di Ethernet industriale è in forte crescita, e continua a sottrarre quote di mercato ai bus di campo.
PROFINET (Process Field Network) è una tecnologia standardizzata nel 2002 dalla IEC 61158, ed è un’implementazione del PROFIBUS basata su Ethernet. Il sistema si compone di IO-Controller (che si occupano dell’automazione), IO-Device (dispositivi attuatori e sensori) e opzionalmente di IO-Supervisor (software di gestione del sistema).
Il protocollo Ethernet/IP (Industrial Protocol), altro concorrente basato su Ethernet industriale, adatta il CIP (Common Industrial Protocol) al protocollo Ethernet. Ethernet/IP implementa i livelli 5, 6 e 7 del modello ISO/OSI, e utilizza il modello ad oggetti del CIP per i processi di automazione, l’interoperabilità tra dispositivi diversi ed il real-time. Inoltre, Ethernet/IP fa un uso intelligente sia del TCP/IP (protocollo con connessione) che dell’UDP (protocollo senza connessione), in modo da ottimizzare risorse e tempistiche di attuazione/sensing.
Analogamente a MODBUS RTU, MODBUS TCP (standardizzato nel 2007 nella IEC 61158) è utilizzato per comunicare con periferiche di campo, ma fa uso dell’Ethernet industriale. Questa tecnologia risolve molti dei limiti del predecessore su RS485, come la velocità di comunicazione, il numero massimo di nodi slave della rete o la possibilità di riportare eccezioni di protocollo. Nonostante questi miglioramenti, MODBUS TCP mantiene la semplicità del suo predecessore, il che lo pone tra i protocolli di comunicazione più utilizzati in ambito industriale.
Wireless
Negli ultimi anni si sono affacciati al mondo industriale anche le comunicazioni wireless più strutturate. Sono davvero molte le tecnologie di questo tipo, e solo per citarne alcune troviamo il più classico ZigBee (già usato da anni per reti di sensori), ma anche LoRa e LoRaWAN (livello fisico e strati superiori), Bluetooth e BLE (con possibilità di reti mesh), 6LowPan, DUST, NB-IoT, Thread.
Tutte queste tecnologie possono essere maggiormente utilizzate per la connessione tra smart devices della IIoT, o tra un gateway e i devices in campo. Per comunicazioni wide-area, poi, possono essere utilizzate tecnologie wireless quali LTE o la nascente 5G.
Conclusioni
Come abbiamo visto dalla breve panoramica sopra, il mondo dell’elettronica mette a disposizione un’infinità di modi per connettere dispositivi industriali in modo da migliorarne la configurabilità, il controllo e la gestione. Gli ingegneri devono solo scegliere quale tecnologia è più confacente ai vari casi d’uso, per poter così sviluppare in maniera veloce e robusta una soluzione industriale all’avanguardia, scalabile e con un occhio al futuro.
