Confronto dei protocolli wireless per l'automazione industriale

La quarta rivoluzione industriale (Impresa 4.0) ha dato alle macchine più intelligenza e agli impianti automatizzati più efficienza e flessibilità. Questi sistemi sempre più complessi hanno spinto l'adozione delle comunicazioni wireless in ambienti industriali. Dopotutto, le macchine intelligenti per Impresa 4.0 e l'automazione modulare sono definite da:

• Connettività di controllo sicura e adattabile
• Raccolta e regolazione continua dei valori del processo di produzione
• Monitoraggio delle condizioni del macchinario per routine di manutenzione predittiva
• Connettività di rete per capacità di analisi di grandi dati

Le tecnologie wireless che supportano queste funzioni sono basate su standard e protocolli cellulari, Wi-Fi, Bluetooth e IEEE 802.15.4. Questo è in parte dovuto al fatto che i progettisti si aspettano la compatibilità dei componenti da fornitori diversi - che per definizione richiede la connettività attraverso interfacce standard del settore e non interfacce proprietarie. L'interoperabilità è solo un aspetto di Impresa 4.0.

Figura 1: La connettività wireless è la chiave per coordinare la movimentazione dei materiali e le attività robotiche collaborative. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

I dispositivi che incorporano la comunicazione wireless sono tipicamente più costosi delle reti cablate. Tuttavia, questo aumento dei costi iniziali è compensato in diversi modi... e i dispositivi wireless spesso si rivelano l'opzione più economica nel lungo periodo. Questo perché il costo del cablaggio in un'area di produzione può essere significativo. È impegnativo pianificare il percorso dei cavi e dei loro connettori. Inoltre i cavi richiedono protezione e supporto fisico con passerelle e portacavi... e necessitano di scatole di giunzione e altri accessori. Pianificare, ordinare e installare tutto questo materiale di cablaggio allunga il tempo necessario per implementare una rete.

Standard basati su Wi-Fi per l'automazione

L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ha rilasciato la norma 802.11 nel 1997 definendo l'implementazione standard wireless per le reti locali (LAN). Per assicurare che il mercato sfruttasse appieno questo standard, il consorzio industriale Wi-Fi Alliance non ha perso tempo - guidato da aziende di dispositivi wireless interessate a stabilire programmi di test e certificazione per mantenere l'interoperabilità tra i fornitori di prodotti. Oggi lo standard Wi-Fi definito da IEEE 802.11 è completato da un'ulteriore standardizzazione della Wi-Fi Alliance per una compatibilità eccezionalmente affidabile dei dispositivi che aderiscono ai requisiti.

Figura 2: Impresa 4.0 (chiamata anche Internet delle cose industriale o IIoT) è inestricabilmente legata all'adozione di tecnologie wireless. Impiegando interfacce standardizzate per permettere la connettività tra vari dispositivi e sistemi informatici, queste tecnologie wireless includono dispositivi mobili usati come HMI (mostrato qui), così come innumerevoli altri componenti di campo wireless che comunicano lo stato di una macchina. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Mentre il Wi-Fi è abbastanza utile per il monitoraggio delle applicazioni e la connessione delle macchine ai sistemi di livello aziendale, la velocità, la latenza e i problemi di stabilità della connessione del Wi-Fi hanno limitato la sua applicazione nell'automazione industriale esigente dei controlli delle macchine. Questo significa che il Wi-Fi nelle applicazioni industriali oggi è per lo più limitato a usi che hanno requisiti abbastanza limitati. Questi comprendono:

• Scanner di codici a barre che comunicano i dati ai sistemi di esecuzione della produzione (MES), che perdonano un secondo o due di ritardo
• Sensori di movimento non coinvolti nelle funzioni di controllo in tempo reale
• Monitoraggio a lungo termine delle condizioni di una macchina con sensori come accelerometri (per tracciare la generazione di vibrazioni nel tempo), nonché sensori di temperatura, pressione, umidità e concentrazione di gas per monitorare l'efficienza e la bontà delle apparecchiature

Figura 3: Sebbene non sia adatto per i controlli delle macchine, il Wi-Fi è utile per le applicazioni di monitoraggio delle macchine e per connettere le fabbriche ai sistemi aziendali. (Immagine per gentile concessione di The Wi-Fi Alliance)

Sono stati fatti diversi tentativi di adattare il Wi-Fi alle applicazioni di controllo industriale, ma con un successo limitato. Un protocollo di eccezione che ha qualche successo nell'adozione dell'IIoT è il Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation (WIA-PA) - uno standard di comunicazione wireless industriale cinese.

Il Wi-Fi funziona naturalmente a 2,4 o 5 GHz, con frequenze più alte che permettono un trasferimento dati più veloce ma una portata ridotta a causa del modo in cui le frequenze più alte sono più facilmente dissipate quando passano attraverso le pareti e altri oggetti solidi. Gli standard specializzati usano altre bande di frequenza. Ad esempio, IEEE 802.11ah low-data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) opera intorno ai 900 MHz - ed è solitamente impiegato in sensori che hanno bisogno di portate estese e di un consumo energetico molto basso. All'altro estremo, IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig) opera a circa 60 GHz per un trasferimento dati molto veloce.

Standard wireless basati su IEEE 802.15.4

Altre opzioni wireless sono le reti personali wireless a bassa velocità o LR-WPAN come definite dallo standard IEEE 802.15.4. Le tecnologie LR-WPAN danno la priorità al basso costo e alla bassa potenza rispetto a velocità e portata. Con le specifiche di base che permettono velocità di trasferimento dati fino a 250 kbps e portate fino a 10 metri, le tecnologie che impiegano le comunicazioni LR-WPAN sono intese per la comunicazione tra dispositivi a basso costo senza alcuna infrastruttura di comunicazione aggiuntiva. I protocolli basati sullo standard IEEE 802.15.4 come 6LoWPAN, WirelessHART e Zigbee stanno rapidamente diventando i protocolli IIoT preferiti.

1. WirelessHART: un protocollo basato su 802.15.4 supportato dalla HART Communications Foundation, ABB, Siemens e altri. Questo è uno standard ben supportato e robusto per le applicazioni di automazione industriale. L'affidabilità della rete è assicurata tramite una rete a maglie con salto di frequenza e sincronizzazione temporale. Al contrario, molti dei protocolli di comunicazione wireless basati sulle tecnologie Wi-Fi e cellulari utilizzano una topologia di rete a stella meno robusta che richiede che tutti i dispositivi si colleghino a un dispositivo centrale. Tutte le comunicazioni sono criptate usando AES a 128 bit e l'accesso da parte degli utenti può essere controllato rigidamente.

Figura 4: Il gestore di rete LTP5903-WHRSmartMesh supporta gateway WirelessHART alimentati per consentire di integrare una rete di sensori wireless basata su standard per comunicazioni bidirezionali scalabili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Poiché WirelessHART utilizza una topologia a rete, i dati possono essere instradati direttamente tra i dispositivi. Questo può estendere la portata della rete e formare percorsi di comunicazione ridondanti. In questo modo, se un percorso dovesse subire un errore, il mittente passerebbe automaticamente a un percorso ridondante. Il salto di frequenza permette anche a WirelessHART di evitare problemi di interferenza.

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (comunemente chiamato 6LoWPAN) è un protocollo che permette la trasmissione di pacchetti IPv6 su una rete basata su IEEE 802.15.4. Questo significa che i dispositivi a bassissima potenza possono connettersi a Internet e lo rendono adatto ai sensori IoT e ad altri dispositivi a bassa potenza.

3. Zigbee: gestito dalla Zigbee Alliance e più ampiamente utilizzato nelle applicazioni di domotica e di automazione degli edifici, Zigbee è forse il più affermato protocollo basato su IEEE 802.15.4. Permette ai nodi di rimanere in modalità di sospensione per la maggior parte del tempo, al fine di estendere notevolmente la durata della batteria. Zigbee opera tipicamente nella banda di 2,4 GHz e ha una velocità di trasferimento dati fissa di 250 kbps. Può supportare varie topologie di rete tra cui a stella, albero e a maglie. Le topologie ad albero e a maglie estendono la portata della rete.

Figura 5: Zigbee è utile, tra l'altro, per sensori di movimento, vibrazione, umidità, temperatura e presenza in ambienti industriali. (Immagine per gentile concessione di Zigbee Alliance)

Bluetooth LE e IoT cellulare nell'automazione industriale

Bluetooth Low Energy (BLE) è un'alternativa a IEEE 802.15.4 dove il basso costo e la bassa potenza sono le priorità principali, a discapito della velocità e della portata. Funziona alla stessa frequenza di 2,4 GHz di Bluetooth standard. Il vantaggio principale di Bluetooth LE è che è supportato a livello nativo da sistemi operativi mobili come Android della Open Handset Alliance, iOS di Apple e varie permutazioni di Microsoft Windows. Questo, sommato al fatto che i grandi fornitori di elettronica come Logitech Corp. hanno investito grosse somme di R&D, fa di Bluetooth LE soprattutto un'opzione di connettività wireless per i dispositivi consumer. Ciò è in contrasto con WirelessHART, che è stato e rimane principalmente concentrato sulle applicazioni IIoT.

Figura 6: Lo standard Bluetooth Low Energy (BLE) ha un profilo di porta seriale che i sistemi riconoscono come un'interfaccia seriale completa - utile per sostituire i dispositivi cablati con aggiornamenti connessi tramite BLE. (Immagine per gentile concessione di Bluetooth Special Interest Group)

Detto questo, gli ultimi anni hanno visto una proliferazione di sensori, telecomandi, serrature e dispositivi portatili che utilizzano Bluetooth LE per l'automazione industriale. Questa tendenza aumenterà probabilmente nei prossimi anni.

In contrasto con BLE e i protocolli basati su IEEE 802.15.4 per le comunicazioni a corto raggio a bassa potenza, le tecnologie cellulari sono comunicazioni wireless a lungo raggio. Il protocollo cellulare 2G GSM è stato in gran parte sostituito dai protocolli cellulari ad alta velocità 3G e 4G, così comuni nei cellulari e nei dispositivi IoT. Il risvolto negativo è che le comunicazioni cellulari consumano parecchio, quindi nelle applicazioni industriali (specialmente per la connettività sulle macchine) il sistema è collegato a un'alimentazione elettrica permanentemente cablata. Le categorie LTE cellulare indicano le massime velocità di trasferimento dati - anche se al costo di un maggior consumo energetico. La connettività LTE Cat-0 e Cat-1 è adatta ai dispositivi IoT. Al contrario, LTE-M è un protocollo cellulare a bassa potenza progettato specificamente per applicazioni macchina-macchina e IoT.

Diversamente dal suo uso relativamente diffuso nei cellulari, le applicazioni industriali 5G sono meno mature. Questo perché i consumatori danno la priorità alla velocità di download (quindi sono stati veloci ad adottare dispositivi 5G introduttivi) e gli ingegneri dei sistemi IIoT danno la priorità alla bassa latenza e alla copertura onnipresente. Infatti, la bassa latenza è di massima importanza nell'automazione industriale. È vero che le prime reti 5G tengono la latenza sotto i 30 msec, ma l'interesse è rivolto a portare la latenza a solo 1 msec. Questa latenza è sufficiente per applicazioni esigenti di controllo industriale in tempo reale (non solo di monitoraggio) - come la trasmissione di segnali di retroazione nelle macchine utensili.

Un modo in cui il 5G riduce la latenza è con lo slicing della rete. Questa tecnica di rete divide la larghezza di banda di una rete in diverse corsie virtuali che sono poi gestite individualmente. Alcune corsie sono riservate alle trasmissioni a bassa latenza - alla maggior parte del traffico è vietato usare tali corsie. Quindi solo le applicazioni di controllo industriale che hanno bisogno di una trasmissione più veloce sono autorizzate a utilizzare queste corsie veloci riservate.

L'ascesa del protocollo wireless LoRA

La modulazione di rete ad ampio raggio (LoRA) è il protocollo wireless a basso costo di scelta per applicazioni remote e offshore nei settori delle energie rinnovabili, dell'estrazione mineraria e della logistica. Si tratta di una tecnologia wireless a bassa potenza che può comunicare su distanze molto lunghe - anche oltre i 10 km - con una batteria che dura fino a 10 anni. In breve, LoRA è una tecnologia non cellulare che opera in bande di frequenza senza licenza. Utilizza bande di frequenza inferiori a 1 GHz come 433 e 915 MHz e una modulazione a divisione di spettro basata su chirp (CSS). Questo lo rende molto adatto ai dispositivi IoT collocati in luoghi remoti che hanno bisogno solo di modeste velocità di trasferimento dati. LoRA offre anche crittografia a 128 bit e controlli di autenticazione. Un'altra caratteristica utile (specialmente per i sensori nelle applicazioni IIoT) è la geolocalizzazione tramite trilaterazione tra i dispositivi.

LoRA utilizza tecnologie proprietarie sviluppate da Semtech Corp. ma ha una numerosi elementi open-source. È supportato (e l'interoperabilità dei dispositivi è assicurata) dalla LoRa Alliance - una grande associazione che include IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom e Semtech.

Conclusione

I protocolli wireless per l'automazione industriale abbondano e ciascuno è adatto a certe applicazioni. Gli usi che richiedono un basso consumo energetico e accettano trasmissioni a corto raggio spesso beneficiano dell'inclusione della connettività Zigbee e Bluetooth LE. Le applicazioni industriali più esigenti che necessitano di robustezza nelle comunicazioni possono richiedere dispositivi con connessioni wireless WirelessHART. Gli usi che richiedono una trasmissione a lungo raggio e un'alta velocità di trasferimento dati richiedono un protocollo cellulare. Qui, il 5G è pronto a trasformare le comunicazioni wireless. La comunicazione di dati su distanze molto lunghe (a consumo energetico minimo) è spesso migliore attraverso LoRa.