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Reti industriali

Nei moderni sistemi di gestione della produzione, i vari dispositivi impiegati per l'automazione lavorano all'interno di un sistema informativo che può essere suddiviso in livelli gerarchici:

Livello di pianificazione
E' il livello dove sono pianificati gli ordini di produzione, sono preparate le strategie e le linee generali della produzione ed ha inoltre luogo il controllo della produzione.

Livello di gestione di processo
A questo livello si decide se la produzione deve aver luogo e come devono essere coordinati i gruppi funzionali.

Livello di cella
Questo livello è generalmente costituito da un certo numero di celle di produzione, ognuna delle quali è comandata almeno da un controllore.

Livello di campo
A tale livello appartengono le cosiddette apparecchiature di campo, come i sensori e gli attuatori, i quali permettono di interagire con i processi produttivi.

Distinzione livelli reti d'automazione

Le reti di comunicazione dei livelli di pianificazione e di gestione del processo devono soddisfare esigenze diverse da quelle presenti nei livelli di cella e di campo.
Per quanto riguarda i livelli di pianificazione e di gestione la comunicazione presenta sostanzialmente le seguenti caratteristiche:

grandi quantità di dati scambiati
comunicazione non critica temporalmente
immunità ai disturbi adeguata all'ambiente d'ufficio
grande estensione della rete
elevato numero di nodi

Le caratteristiche della comunicazione nei livelli di cella e di campo sono invece le seguenti:

quantità di dati scambiati limitate
comunicazione critica temporalmente,esigenza di tempo reale
elevate esigenze di immunità ai disturbi in ambiente industriale
limitata estensione della rete
numero di partecipanti mediamente piccolo

Vantaggi

I bus di comunicazione di campo, o fieldbus, sono ottimizzati sulle caratteristiche dei livelli di cella e campo. Essi sono nati, infatti, per collegare i controllori a sensori ed attuatori e quindi per gestire il trasferimento di limitate quantità di dati in tempi estremamente ridotti.
Alcuni dei vantaggi derivanti dall'impiego di un fieldbus per la realizzazione e la gestione della comunicazione fra dispositivi, sono :

possibilità di eseguire operazioni di calibrazione e diagnostica del dispositivo da nodi remoti.
separazione tra la fase di acquisizione dei dati e quella di elaborazione, il che permette, ad ogni singolo dispositivo, di essere controllato o sostituito senza influenzare il resto del sistema.
Aumento dell'immunità al rumore grazie all'utilizzo di una trasmissione digitale che accresce notevolmente la qualità del rapporto segnale - disturbo.
Facilità di verificare l'integrità del mezzo fisico, in modo da migliorare l'affidabilità del sistema.
Ogni singolo dato può essere virtualmente disponibile per tutti i nodi della rete con uno sforzo minimo; in tal modo si evita l'impiego di cavi multipli quando l'informazione deve essere condivisa da siti differenti.
Non è necessario aggiungere cavi o modificare la topologia della rete quando nuovi dispositivi sono introdotti nella rete.

Il Bus di campo

Un bus di comunicazione di campo deve sostanzialmente soddisfare i seguenti requisiti:

Trasferimento ciclico dei dati con determinismo
Traffico asincrono urgente
Messaggistica di alto livello

Uno dei requisiti più importanti , nell'ambiente di campo, è la capacità di interrogare periodicamente un certo numero di dispositivi secondo una determinata sequenza, realizzando così un trasferimento ciclico dei dati. Se il tempo determinato per compiere la sequenza o la sequenza stessa non è rispettata la rete va in errore.
Un controllore collegato punto-punto con sensori e attuatori acquisisce segnali e invia comandi al campo in maniera praticamente continua. Se si sostituiscono i collegamenti punto-punto con una rete di comunicazione di campo, questo scambio dati è realizzato per mezzo di un'interrogazione ciclica (polling) che la rete deve essere in grado di realizzare senza influenzare il funzionamento del controllore. L'efficacia di questo tipo di trasferimento e gravemente influenzata dal tempo che intercorre tra due letture successive di una stessa variabile (jitter); un valore elevato di jitter può ridurre l'accuratezza del controllo del sistema, causando perdita di precisione e instabilità.

In un ambiente automatizzato, dove possono sorgere situazioni pericolose, un dispositivo deve essere abilitato ad informare il proprio controllore il più presto possibile. In tal senso i fieldbus sono in grado di gestire messaggi urgenti adottando tecniche di accesso deterministiche con priorità. Deve inoltre essere possibile sincronizzare un certo numero di dispositivi al verificarsi di un determinato evento di allarme.
In ogni caso si chiede al sistema di comunicazione di assicurare che il tempo che intercorre tra trasmissione e ricezione del segnale di allarme o di sincronizzazione, sia limitato.

Per permettere la comunicazione anche con il livello di cella i fieldbus si basano su sistemi di messaggistica ad alto livello. La maggior parte di essi fa riferimento allo standard internazionale MMS (Manufacturing Messaging Service). I servizi offerti da questo sistema sono generalmente :

lettura-scrittura variabili (tag)
caricamento-scaricamento di aree di memoria
start-stop di programmi su stazioni remote

Architettura

Gli standard fieldbus sono stati sviluppati tenendo in considerazione il modello di riferimento OSI. Dal momento che un'architettura a sette livelli sarebbe difficilmente in grado di fornire il requisito di comunicazione in tempo reale, fondamentale nell'ambiente industriale, è stato adottato un protocollo ridotto, sostanzialmente a tre livelli.
Sono presenti solamente i livelli Fisico,Data Link e Applicativo, mentre i livelli Rete, Trasporto, Sessione e Presentazione sono stati eliminati.

Avendo ridotto i livelli del modello di comunicazione, alcune funzioni dei livelli eliminati che risultano essenziali per l'implementazione delle applicazioni sono state spostate nei due livelli adiacenti Data Link e Applicativo.