Se siete dei vecchi utenti di PC, forse avete sentito parlare dello standard RS-232C. E che dire della parola PLC? In realtà, questi sono gli standard e le parole utilizzate nel campo delle reti industriali, che sono molto importanti nel settore industriale. Ecco una rapida introduzione alle reti industriali.
Che cos’è una rete industriale?
Una rete industriale è una rete che controlla i sensori e i dispositivi installati in un’apparecchiatura o in una linea di produzione e trasmette le informazioni a un sistema superiore, come un sistema di esecuzione della produzione. Conosciuta anche come rete di campo, rete FA e bus di campo.
In genere, il sistema di rete di una fabbrica è costituito dalla seguente struttura a quattro livelli:
- Livello 1: Rete di sistemi informativi
- Livello 2: rete di controllori
- Livello 3: Rete di campo
- Layer 4: rete a risparmio di cablaggio
Le reti di sistemi informativi includono i sistemi di esecuzione della produzione (MES) e le reti di controllori includono i controllori logici programmabili (PLC). Inoltre, le reti di campo comprendono controllori che comunicano con sensori e motori e il livello più basso è una rete di risparmio di cablaggio che semplifica il cablaggio di comunicazione tra sensori e controllori.
Questo articolo tratta di una rete di campo di terzo livello. L’interfaccia rs-232C collegata ai vecchi PC è originariamente un vecchio standard per questa rete di terzo livello.
Nelle apparecchiature di fabbrica e nelle linee di produzione, i componenti di una rete, come i dispositivi fisici e i sensori, non subiscono grandi fluttuazioni e spesso sono sempre connessi allo stesso modo. D’altra parte, non ci sono problemi come errori o interruzioni nella trasmissione dei dati, ed è necessario che la rete funzioni sempre in modo stabile e affidabile alla stessa velocità, indipendentemente dalla variazione della quantità di dati trasmessi (questo si chiama “garantire le prestazioni in tempo reale”).
Pertanto, invece di Ethernet, che è uno standard per le reti come Internet e LAN utilizzate negli uffici, si è sviluppato lo standard della rete originale. Tuttavia, a causa del fatto che i sistemi di alto livello come i sistemi di esecuzione della produzione, che si sono diffusi negli ultimi anni, sono stati costruiti su base Ethernet e i miglioramenti in tempo reale, che erano punti deboli dei sistemi Ethernet, le reti di campo sono aumentate di recente negli standard basati su Ethernet.
Storia e criteri della rete di campo
L’idea di collegare le apparecchiature di fabbrica con una rete, raccogliendo dati, o di collegare un controller per il controllo di motori, robot, ecc. con una rete e una gestione integrata è vicina all’IoT di oggi nel 1970. Si dice che fosse negli anni ’90. Erano già state fatte ricerche sperimentali. Tuttavia, a quel tempo, nell’era della tecnologia analogica, l’hardware e il software digitali erano ancora poveri, per cui si pensava che la realizzazione di una rete digitale così pratica fosse una cosa da poco.
I successivi progressi della tecnologia digitale hanno portato all’applicazione pratica delle reti di campo negli anni Novanta. A quel tempo, sono nati diversi standard e c’è stato un periodo in cui erano affollati circa 40 tipi di standard. Da allora, l’organizzazione è progredita e ora si è ridotta a più di 10 tipi di standard principali.
Esistono tre reti di campo: un sistema rs-485 sviluppato da RS-232C, un sistema Ethernet e un sistema wireless. Come già detto, negli ultimi anni gli standard Ethernet hanno dominato. Inoltre, i sistemi wireless stanno gradualmente aumentando.
Caratteristiche per le reti di campo RS-485
Si può dire che il vantaggio del sistema RS-485 è che ha una lunga storia ed è stato utilizzato in molti siti. Inoltre, il funzionamento è relativamente stabile e ha eccellenti prestazioni in tempo reale. Inoltre, si caratterizza per essere resistente ai disturbi. Queste caratteristiche di “alta affidabilità” e “risultati” sono le ragioni principali per cui le reti di campo RS-485 sono state utilizzate per più di 30 anni e anche ora che i sistemi Ethernet sono dominanti, sono uno standard “difficile da buttare via”.
Lo svantaggio è che la velocità di trasmissione è inferiore a quella dei sistemi Ethernet. Inoltre, il prezzo delle apparecchiature tende a essere leggermente superiore a quello dei sistemi Ethernet.
Caratteristiche per le reti di campo Ethernet
Il vantaggio dei sistemi Ethernet è che hanno ancora una velocità di trasmissione best-effort relativamente elevata. Poiché i protocolli e l’hardware sono comuni ai principali sistemi informatici, possono essere introdotti facilmente. Inoltre, l’hardware, come i cavi e gli adattatori di rete, è comune alle LAN già ampiamente utilizzate, quindi il prezzo delle apparecchiature può essere mantenuto basso.
D’altra parte, ethernet ha una velocità di trasmissione più bassa all’aumentare del traffico di rete. In altre parole, la scala del sistema di produzione aumenta e se si cerca di aumentare il tempo, la velocità di trasmissione diminuirà e la natura in tempo reale della trasmissione dei dati andrà persa. Pertanto, è necessario un po’ di ingegno per garantire prestazioni in tempo reale.
Caratteristiche delle reti di campo wireless
Il vantaggio principale dei sistemi wireless è che non è necessario il cablaggio. Questo è molto vantaggioso quando si installa una rete sul campo in un secondo momento o quando non c’è spazio sotto il pavimento o il soffitto della fabbrica per il cablaggio. Inoltre, per lo stesso motivo, possiamo rispondere in modo flessibile a casi come le modifiche al layout dello stabilimento. Inoltre, il costo iniziale dell’intero sistema tende a essere basso, perché non ci sono costi solo per l’installazione dei cavi.
D’altra parte, il wireless utilizza le onde radio per comunicare, quindi la trasmissione potrebbe non avere successo a seconda dello stato di propagazione delle onde radio, come la diffrazione e la riflessione, che è uno svantaggio esclusivo del wireless. Pertanto, come regola generale, le antenne delle apparecchiature dovranno essere posizionate in modo da potersi vedere reciprocamente.
Gli standard tipici di ogni lignaggio e le loro peculiarità
Lo standard RS-485 e i suoi speciali
I principali sono CC-Link e PROFIBUS DP.
“CC-Link” è uno standard leader sviluppato da Mitsubishi Electric in Giappone e in Asia. Le caratteristiche includono una velocità di trasferimento fino a 10 Mbps e una distanza di trasmissione di 1,2 km, velocità relativamente elevate e una lunga distanza di trasmissione. Può inoltre collegare 64 dispositivi per rete. In Giappone, questo standard è quasi diventato lo standard di fabbrica. Cc-Link è originariamente uno standard RS-485, ma negli ultimi anni è apparso anche CC-Link IE basato su Ethernet. Sono disponibili anche controllori con conversione Ethernet e RS-485.
“PROFIBUS DP” è un potente standard diffuso soprattutto in Europa. La sua quota di mercato è la più alta a livello mondiale. Come caratteristica, è possibile collegare 126 dispositivi per rete. È anche compatibile con i cavi in fibra ottica.
Gli standard Ethernet e le loro caratteristiche
I principali sono “EtherNet/IP” e “EtherCAT”.
“Ethernet/IP” è uno standard di comunicazione che supporta la comunicazione ciclica per superare le debolezze di Ethernet. È l’acronimo di Cyclic communication. Il controllo della comunicazione è unico in questo standard: la comunicazione avviene in un determinato periodo di tempo. Questo garantisce un apparente tempo reale. È noto anche per essere stato adottato dalla casa automobilistica GM, che ha conquistato un’ampia quota di mercato negli Stati Uniti.
“Ether CAT” è uno standard che, in linea di principio, limita la topologia di rete (la forma di connessione fisica della rete) da albero ad anello per superare le debolezze di Ethernet. È noto per l’adozione da parte di Toyota Motor Corporation. In una rete normale, la rete si ramifica ad albero utilizzando un hub o un router, ma EtherCAT collega le apparecchiature a margherita. Ciò comporta una quantità costante di traffico nell’anello, garantendo il tempo reale.
Gli standard wireless e le loro specialità
Gli standard wireless includono “5G locale” e “LPWA”.
Il “5G locale” è un uso limitato dello spazio del 5G, lo standard per i telefoni cellulari di prossima generazione. Si prevede che l’alta velocità del 5G possa essere utilizzata per le reti sul campo.
“LPWA” è il metodo principale attualmente utilizzato nelle reti di campo wireless, ed è popolare in quanto in grado di coprire una vasta area con una bassa potenza. Lo svantaggio è che la velocità di trasmissione è lenta, ma il costo è basso e favorisce la diffusione.
Il numero di standard è tale che la gamma di selezione è ampia.
Sopra abbiamo introdotto brevemente gli standard per le reti industriali. Esistono molti standard diversi per le reti industriali. Attualmente, gli standard Ethernet sono in qualche modo dominanti, ma anche gli standard basati su rs-485, che sono stati utilizzati in molti siti nel corso degli anni, sono difficili da abbandonare. Inoltre, in alcuni casi, si può dire che i sistemi wireless siano un po’ più considerevoli. In ogni caso, è importante comprendere le caratteristiche di ogni standard e scegliere quello più adatto al sistema di produzione che si sta cercando di realizzare. Sfruttiamo l’ampia gamma di selezioni perché esistono diversi standard.
