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SETTEMBRE 2016 AUTOMAZIONE OGGI 392 59
riodo di tempo. Nel tempo i primi protocolli industriali si sono
evoluti in modo da soddisfare questa esigenza. È il caso del pro-
tocollo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) che, oltre
a usare connessioni point-to-point 4-20 mA esistenti, supporta
la trasmissione di segnali analogici e digitali attraverso un’unica
coppia di fili. L’interfaccia fisica utilizza la codifica a spostamento
di frequenza (FSK) che rappresenta un ‘1’ logico (segno), in forma
di onda sinusoidale con una frequenza centrale di 1,2 kHz, e
uno ‘0’ logico (spazio), in forma di onda sinusoidale con una fre-
quenza centrale di 2,2 kHz. Queste rappresentazioni digitali pos-
sono essere modulate a livello di corrente analogica nella fascia
compresa tra 4 e 20 mA, il che lo rende una soluzione versatile per
applicazioni industriali. Il protocollo può anche essere implemen-
tato usando un microcontrollore (MCU) e un modem Hart adatto
che funge da interfaccia fisica, ad esempio A5191Hrtpg-XTD di
ON Semiconductor. Oppure si possono utilizzare convertitori
DAC/ADC se la MCU è dotata di una ALU in grado di eseguire l’al-
goritmo necessario per generare e riconoscere le frequenze FSK.
Sebbene possa essere utilizzato anche in una configurazione
multidrop, il protocollo Hart può non essere adatto per tutte le
applicazioni industriali e, quasi sicuramente, non verrebbe usato
per il collegamento a Internet. Questa combinazione di protocolli
è endemica nel settore del controllo industriale e non sembra de-
stinata a cambiare nel breve periodo.
Lo strumento adatto
L’uso di protocolli appositamente ideati per le comunicazioni In-
ternet pone numerosi limiti in un contesto industriale. Oltre al
problema della latenza, può risultare necessario apporre marca-
ture temporali agli eventi dell’ambiente industriale, una caratte-
ristica non supportata nei comuni protocolli di rete (es. TCP/IP).
Ethernet è il ‘volto pubblico’ di Internet, la tecnologia che la mag-
gior parte delle persone usa per interfacciarsi con la rete. Se è
vero che i protocolli Internet basati su Ethernet non sono adatti
per il controllo in tempo reale, è altrettanto vero che, usando i
protocolli adatti, questa tecnologia può fornire un’infrastruttura
di rete industriale robusta e affidabile.
Per il settore industriale esi-
stono diversi protocolli che
utilizzano Ethernet come in-
terfaccia, il più importante dei
quali è, probabilmente, Ethercat.
Questo è solo uno dei protocolli ba-
sati su Ethernet che fanno parte della
famiglia fieldbus previsti dalla norma
IEC 61158. Utilizzando la stessa inter-
faccia fisica di Ethernet, il protocollo
Ethercat può essere implementato
usando un microcontrollore dotato
di un Ethernet MAC, ad esempio
l’XMC4500 di Infineon. La famiglia
XMC4000 si basa sull’ARM Cortex-M
e oggi Infineon offre l’XMC4800 e
l’XMC4300, i primi microcontrollori
a integrare un nodo Ethercat su una
MCU ARM Cortex-M con memoria flash
on-chip e funzioni a segnale misto. Di
regola in una topologia industriale, i
dispositivi che effettivamente svolgono
le azioni (motori, riscaldatori, pompe, attuatori ecc.) sono control-
lati direttamente da un PLC (Programmable Logic Controller). In
ambito IIoT la tendenza attuale è quella di collegare in rete i PLC
mediante protocolli in tempo reale a bassa latenza, come quelli
della famiglia fieldbus. Nonostante il nome e parecchi anni di la-
voro, non esiste uno standard fieldbus comune, per cui i numerosi
protocolli basati su di esso non sono necessariamente interope-
rabili. Di conseguenza i PLC devono supportare più protocolli
per poter operare in un ambiente industriale collegato in rete. La
tecnologia fieldbus più utilizzata è probabilmente Profibus, ma
ne esistono molte altre, tra cui Profinet, CAN e Modbus. Molti mi-
crocontrollori integrano interfacce CAN, mentre per aggiungere
Modbus si può utilizzare una Uart e implementare il protocollo
nell’applicazione eseguita sulla MCU.
Supporto software
Mentre molti dei protocolli utilizzati per il controllo nell’IIoT sono
relativamente semplici da implementare anche in una MCU eco-
nomica, sembrerebbe ragionevole prevedere un elevato livello di
consolidamento; MCU più ‘capaci’ verranno utilizzate per gestire
una gamma più ampia di protocolli in una topologia di rete. A
questo punto potrebbe essere utile utilizzare un sistema ope-
rativo e, nel caso del controllo industriale, un sistema operativo
in tempo reale o Rtos. Eseguire un Rtos su una MCU comporta
una serie di requisiti in termini di hardware e infatti è in corso
un passaggio verso architetture a 32 b (ad esempio famiglia ARM
Cortex-M).
Non è insolito che i fornitori di MCU e di processori collaborino
a stretto contatto con i fornitori di Rtos con l’obiettivo di garan-
tire il buon funzionamento degli stack di comunicazione e dei
kernel in tempo reale sui rispettivi hardware (ad esempio Ana-
log Devices e Micrium). Tanto per fare un esempio, i processor
embedded a 16/32 b Blackfin di Analogo Devices sono suppor-
tati dal sistema operativo in tempo reale μC/OS di Micrium che
è provvisto di middleware per TCP/IP, USB, bus CAN e Modbus.
Alla richiesta di protocolli industriali da eseguire su processori
embedded altamente integrati corrisponde l’offerta da parte di
un maggior numero di fornitori di Rtos,
di stack di protocolli per il controllo
industriale da integrare nelle ri-
spettive tecnologie.
Conclusioni
La creazione di una rete industriale che
consenta un controllo a distanza, pur
mantenendo il controllo in tempo reale,
comporta l’uso di una combinazione di
protocolli di comunicazione. Fortunata-
mente i fornitori di semiconduttori sono
ben consci di questa esigenza e sono pronti
a offrire una serie di dispositivi in grado di
fornire le interfacce hardware e la potenza
di calcolo necessarie a trasformare in realtà
l’IIoT, all’interno del quale troveranno certamente
posto anche i protocolli attualmente in uso nel
settore industriale. •
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