Comunicazione in tempo reale per amplificatori di misura precisi e flessibili in applicazioni industriali che usano la comunicazione Cloud industriale

L'Internet delle cose industriale (IIoT) è plasmato dall’Internet delle cose (IoT) e dalle catene di valore auto-ottimizzanti e l’interconnessione verticale e orizzontale delle società ne è una caratteristica essenziale. Il collegamento in rete garantisce uno scambio di informazioni uniforme, ovvero una collaborazione efficiente tra tutti i partecipanti alle reti di valore aggiunto. Offre un’ampia gamma di applicazioni, come la gestione congiunta di macchine, programmi e strumenti e il monitoraggio dello stato di lavorazione di un prodotto o della necessità di eseguire interventi di manutenzione su una macchina in qualunque luogo.

Le aspettative sulle caratteristiche dei componenti del sistema sono altrettanto elevate. È fondamentale che sensori, attuatori e controller a livello di produzione funzionino in modo rapido e senza ritardi. È l’unico modo per garantire una comunicazione isocrona in tempo reale (IRT) e processi produttivi sicuri. I dati vengono uniti a livello di controller, ovvero i dati rapidi in tempo reale vengono combinati con dati diagnostici aggiuntivi. I controller riferiscono dello stato della produzione e dei parametri qualitativi ai livelli della gestione processo, che, al contempo, fornisce dati pronti per la produzione. La quantità di prodotto, la versione e il modello vengono inviati al controller, che configura il sistema di produzione di conseguenza.

Bus di campo in ambiente di automazione

I bus di campo garantiscono l’IRT corretta, quindi i dati misurati e diagnostici vengono sempre trasmessi nello stesso modello temporale. Per questo motivo è riservata una gamma fissa nei frame di dati per la trasmissione di questi dati in tempo reale. I formati di questi frame di dati erano molto limitati in passato. Da una parte i volumi di dati erano relativamente inferiori, dall’altra era possibile implementare soltanto le reti con formato fisico limitato e con elevate velocità di trasferimento dati. Con l'arrivo della tecnologia Ethernet come strumento di trasporto dati nella produzione la situazione è cambiata radicalmente. Da allora sono state implementate reti più grandi e maggiori frequenze di trasferimento dati (dell’ordine dei  gigabit). La topologia varia dai collegamenti 1:1 attraverso le reti degli impianti e aziendali fino a impianti e siti con reti globali. Un grande vantaggio della tecnologia Ethernet è l’elevata disponibilità dei componenti della rete. Le reti Ethernet sono state a lungo utilizzate nelle comunicazioni in ufficio. Ora il mondo dell’ufficio e quello della produzione stanno decisamente convergendo. Anche le installazioni sono diventate decisamente meno complesse, in quanto i nodi di rete possono essere interconnessi in diversi modi con configurazioni lineari, a stella o miste.

Selezione di bus di campo

In generale, tutti i bus di campo agiscono in tempo reale con tempi di ciclo da 100 millisecondi a 1 microsecondo. Dipende dall’applicazione su cui è usato il bus di campo. Nell’industria dei processi è sufficiente un tempo di ciclo di 100 millisecondi, perché spesso i processi sono piuttosto lenti per via dei metodi utilizzati. I requisiti sono più alti nell'automazione. I brevi tempi di ciclo dell’assemblaggio e dei test richiedono tempi tra 10 e 1 millisecondo. Nel controllo del movimento, ovvero il monitoraggio delle parti in movimento come rulli che girano, motori, ecc. sono necessari tempi di ciclo di pochi microsecondi per garantire un funzionamento sicuro. Qui occorre utilizzare speciali dispositivi con bus di campo come PROFINET con protocollo IRT, EtherCAT, POWERLINK o SERCOS.

Il seguente grafico indica i diversi bus di campo basati su Ethernet e il loro impiego nel mondo:

Utilizzo nel mondo delle moderne interfacce con bus di campo (fonte: HBM)

Componenti delle reti moderne

Il sistema di misura e controllo PMX di HBM può essere integrato con bus di campo PROFINET, EtherCAT o Ethernet/IP per collegare il sistema ai livelli di produzione. Quando sensori e attuatori sono collegati a PMX, questi collegamenti possono essere monitorati e le irregolarità segnalate in tempo reale. Inoltre, PMX consente la pre-elaborazione dei dati in tempo reale. Una parte sostanziale del carico del sistema del controller dell’impianto è pre-elaborato nel PMX, alleviando il carico sulla produzione stessa.

Il sistema nel Cloud

Nuove applicazioni in produzione possono essere aperte quando i dati del sistema vengono archiviati centralmente per l’uso decentralizzato. Lo sappiamo già per via delle soluzioni Cloud come Google Maps e ora può essere applicato alla produzione. Innanzitutto è possibile deporre requisiti speciali come il controllo di produzione basato su formati di batch e approvvigionamento di materiale. Oltre a ciò è possibile rilevare, segnalare ed evitare le irregolarità. La produzione diventa più efficiente, conveniente e in gran parte automatizzata. L’intervento manuale diventa superfluo e il servizio può essere controllato secondo necessità.

Nuovo formato d’interfaccia necessario

È comunque necessario un nuovo formato di interfaccia per il trasferimento efficiente dei dati di progettazione e diagnostici dalla produzione al Cloud: Architettura unificata OPC abbreviato OPC UA. Si tratta di un'espansione del formato di dati OPC standardizzato e approvato come standard mondiale.

OPC UA è un protocollo di comunicazione industriale da macchina a macchina. OPC UA è l’ultima delle specifiche OPC sviluppate dalla OPC Foundation e differisce in modo significativo dai suoi predecessori, soprattutto per il fatto di essere in grado di abilitare i dati della macchina (variabili di controllo, valori misurati, parametri, ecc.) non solo ad essere trasferiti, ma anche ad essere descritti semanticamente in una forma leggibile dalle macchine.

Architettura OPC UA (fonte: Wikipedia)

Vantaggi per l’utente

  • Le nuove tecnologie di rete e di comunicazione consentono di incanalare i processi e renderli più trasparenti.
  • Il controllo di produzione diventa più semplice, in quanto è largamente automatizzato e controllato da remoto.
  • L’uso di grande forza lavoro e addestramenti di personale non è più necessario.
  • I sistemi stessi riferiscono la loro “salute", che ottimizza la manutenzione.
  • L’uso dei sistemi moderni nell’IIoT consente di ridurre i costi di fabbricazione aumentando qualità e velocità.

HBM lavora sistematicamente sull’implementazione di queste tecnologie e lo ha fatto con successo con i suoi sistemi di misura e controllo PMX. In un progetto congiunto con l’Università tecnica di Darmstadt una precedente learning factory è stata convertita in una Smart Factory, dove viene implementato con successo PMX.

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