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Reti macchina-macchina per le funzioni di macchine automatizzate

Di Lisa Eitel

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Le reti macchina-macchina (M2M) sono fondamentalmente una permutazione della telematica industriale: combinazioni di telecomunicazioni e informatica che utilizzano i dati per eseguire operazioni automatizzate. Le reti M2M comprendono sensori, controlli e macchine che comunicano senza l'intervento dell'uomo. Le macchine su queste reti possono trovarsi tutte in un'unica struttura fisica o anche all'altro capo del mondo.

Le funzioni M2M sono gestite da comunicazioni cablate e wireless. I dispositivi trasmettono e raccolgono informazioni per consentire valutazioni operative e regolazioni in tempo reale. Ad esempio, un impianto di trattamento delle acque reflue può utilizzare sensori remoti presso le stazioni principali per raccogliere i dati relativi ai livelli dei liquidi, ai rapporti chimici, alle temperature, alle portate e ad altri parametri. I dati vengono poi trasmessi tramite una rete wireless a una piattaforma affinché possano essere raccolti da controlli intelligenti. Quando è utile la presenza di un operatore umano che supervisioni e risponda ai cambiamenti dei parametri, un'interfaccia uomo-macchina (HMI) che esegue un software specifico per l'applicazione potrebbe visualizzare i valori del sistema su un pannello digitale. In alcuni casi, le macchine periferiche ricevono segnali da altre macchine tramite controller sulla rete M2M. In questo modo, l'apparecchiatura può operare in tandem con qualsiasi programmazione basata su regole prestabilite.

Immagine del dongle cellulare USB-D QuickCarrier di Multi-TechFigura 1: Il dongle cellulare USB-D QuickCarrier supporta installazioni M2M che richiedono una connettività dati affidabile. Fornisce anche una configurazione rapida della connettività cellulare per comunicare cose fisiche in modo digitale. (Immagine per gentile concessione di Multi-Tech Systems, Inc.)

Differenza tra la connettività di rete M2M e la connettività basata su Internet delle cose (IoT)

La capacità relativamente nuova dei progetti automatizzati di sollecitare e regolare le operazioni di livello superiore dipende sia dalla tecnologia M2M che da quella IoT. Per un approfondimento delle differenze di questi sistemi, leggere l'articolo Digi-Key "Progettazione e comunicazioni: differenze tra IoT e M2M".

  • Le tecnologie M2M eccellono nel monitoraggio e nel controllo di singole funzioni (in una certa misura isolate). Ciò avviene sempre più spesso attraverso le comunicazioni cellulari facilitate da dispositivi embedded. Molte soluzioni M2M sono installazioni localizzate che utilizzano una o due fonti di informazioni. Ad esempio, un'installazione M2M di tipo consumer può includere un termostato e una videocamera che trasmettono in continuo i dati a un dispositivo indossabile o a uno smartphone, in genere per chiedere che un operatore umano effettui una qualche regolazione. Gli unici punti dati provengono da questi dispositivi di rilevamento.
  • IoT implica la piena integrazione di installazioni completamente connesse (che di solito comportano l'attivazione e la retroazione della macchina) per supportare operazioni di collaborazione tra sistemi sofisticati, fonti di informazioni o macchinari altamente automatizzati. Quindi, la stessa configurazione di grado consumer con termostato e videocamera per le comunicazioni con uno smartphone che integra la funzionalità IoT impiegherebbe i punti dati di questi dispositivi di retroazione (esattamente come fa la configurazione M2M), oltre a ulteriori dati da Internet sulle previsioni meteorologiche locali, dati di quartiere raccolti in crowdsourcing, analisi di esperti e database di apprendimento automatico per definire la risposta dell'operatore umano o di una qualche forma di automazione connessa.

In ambito industriale, questa funzionalità IoT supporta anche la manutenzione predittiva e l'utilizzo di big data per funzioni di livello aziendale. Di solito alcuni sistemi centralizzati raccolgono dati di automazione macchine e dati di retroazione elaborati parzialmente o totalmente. L'analitica di sistema genera poi i parametri prescritti a fini di ulteriore monitoraggio, regolazione o correzione. Sono sempre più le strutture che fanno uso di big data (a volte completati dall'apprendimento automatico) per gestire sia le operazioni normali che quelle problematiche che richiedono manutenzione o altri interventi. Ad esempio, i moderni gasdotti trasmettono i dati sulle stazioni di pompaggio remote a database centrali affinché possa accedervi il personale di un centro di controllo che potrebbe anche trovarsi in un altro continente.

Tipi di hardware a sostegno delle funzioni M2M

Sensori, attuatori e logica embedded sono i principali tipi di hardware a supporto della M2M. Sensori e attuatori in genere vengono forniti dal produttore dei componenti con connettività M2M integrata. I moduli M2M embedded, invece, di solito vengono integrati dall'OEM nei propri dispositivi affinché eseguano compiti e funzioni specifiche. Il più delle volte, si tratta di conferire la connettività cellulare o di altro tipo a dispositivi che in passato lavoravano isolatamente. Questi sistemi M2M embedded sono particolarmente utili nei settori dei trasporti e aerospaziale, specialmente per sistemi di navigazione GPS, interblocchi, registratori e sensori su mezzi come navi, aerei e TIR.

Immagine del modem cellulare embedded LTE Cat 1 di Digi XBeeFigura 2:I sistemi embedded includono CI per trasmettere, ricevere ed elaborare i dati. Questo modem cellulare embedded LTE Cat 1 di XBee è destinato agli OEM che desiderano integrarlo nei prodotti che richiedono la connettività cellulare. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Software M2M: la piattaforma software utilizzata per un'installazione M2M dipende dalla mobilità della macchina, dal suo ambiente, dalla quantità e dal tipo di dati da elaborare. Quando il software M2M sfrutta il cloud computing, viene eseguito su hardware dotato di comunicazioni verso un server remoto. Quest'ultimo gestisce un proprio software per inviare le informazioni agli amministratori che le elaborano e che, sulla base di quei dati, decidono come intervenire. In alcuni casi, il software di supporto alle reti M2M include quello per un'interfaccia grafica utente (GUI). Queste GUI consentono al personale di accedere ai dati di sistema elaborati, di solito presentati sotto forma di grafici e video e non come interfacce di testo la cui complessità potrebbe creare confusione.

Dove sono utili le reti M2M

Applicazioni destinate alla diagnostica e alla manutenzione: le reti M2M supportano la diagnostica e la manutenzione, l'ottimizzazione delle macchine e i controlli specifici per l'applicazione. Dato che inviano e ricevono dati in continuazione, sono ideali per ottimizzare i programmi di manutenzione pianificata delle apparecchiature standalone negli impianti di produzione e per segnalare quando potrebbe essere richiesta la manutenzione straordinaria. I sensori di una macchina collegata possono inviare dati attraverso uno stack software nel cloud, aggregarli a un altro dispositivo e fornire infine informazioni sull'apparecchiatura o sulla manutenzione del sistema. Ad esempio, temperature insolite potrebbero segnalare che un asse deve essere lubrificato oppure che occorre sostituire dei componenti per via dell'usura meccanica.

All'interno delle aree aeroportuali - sia quelle aperte al pubblico che quelle riservate - le reti M2M raccolgono informazioni sulla temperatura, le vibrazioni e i livelli di lubrificante dei motori delle scale mobili, dei tapis roulant e dei sistemi di movimentazione dei bagagli. Le reti M2M utilizzano sensori anche sui chioschi di acqua potabile negli aeroporti per monitorare il flusso d'acqua, la temperatura, lo stato aperto o chiuso dei rubinetti e anche le potenziali perdite.

Visualizzazione grafica delle condizioni della macchina: i più semplici indicatori di stato M2M sulla macchina sono di tipo luminoso e con lettore digitale. Ma, come è stato ricordato, i sistemi M2M più sofisticati supportano le GUI per comunicare agli operatori le condizioni della macchina in formati che facilitano la comprensione dei dati. In alcuni casi, queste presentazioni sono disponibili anche sulla macchina o sul dispositivo grazie a un piccolo display o una HMI completa. In altri casi, il display grafico si trova in una postazione remota.

Modifiche remote alle impostazioni: i dati di retroazione del sistema raccolti da una rete M2M spesso costituiscono la base per i flussi di lavoro e l'allocazione delle risorse da remoto. Si prenda di nuovo l'esempio dell'aeroporto. In questo caso, l'analitica dei dati dalla rete M2M potrebbe indurre la direzione a inviare un tecnico per risolvere i guasti di un'apparecchiatura prima che il problema venga notato e segnalato da un addetto alle pulizie o da un viaggiatore.

Connessioni e collegamenti della rete fisica M2M

Come già detto, le comunicazioni M2M avvengono via radio e tramite cavi. Le permutazioni cablate per i dispositivi più semplici includono le comunicazioni su linea elettrica (che trasportano i dati sugli stessi conduttori che alimentano l'energia elettrica in c.a.) e le comunicazioni seriali (un bit alla volta nella sequenza dello standard industriale). Le installazioni M2M più avanzate possono utilizzare reti locali (LAN) oppure (nel caso di applicazioni M2M distribuite e scalabili) reti ad ampio raggio (WAN) per comunicare e inviare dati a distanze maggiori. I sottocomponenti M2M embedded illustrati in precedenza si collegano tramite WAN e LAN e possono comunicare come elementi intersistema o intrasistema.

Le comunicazioni intersistema tra i dispositivi avvengono tramite protocolli CAN (Controller Area Network) e SPI (Serial Peripheral Interface). Quelle intrasistema, invece, spesso utilizzano un bus seriale universale (USB) o un microchip ricevitore/trasmettitore universale sincrono/asincrono (USART) per le comunicazioni attraverso la porta seriale di un computer, per consentire il flusso di dati tra i chip all'interno di un dispositivo.

Le comunicazioni tra macchine e dispositivi assumono anche altre forme. A differenza delle comunicazioni broadcast, quelle punto-punto supportano comunemente le funzioni M2M all'interno delle apparecchiature. Come fanno anche le unità terminali remote (RTU) vendute in genere come moduli a microprocessore elettronico per monitorare e controllare i dispositivi sul campo a fini di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA). Fungono da intermediari per:

  • Trasmettere i dati in formato telemetrico (raccolti dai dispositivi sul campo) a un sistema centrale e poi
  • Rimandare i comandi di risposta a quei dispositivi.

Formati di comunicazione M2M wireless: esistono numerosissime configurazioni M2M per comunicare in modalità wireless: tecnologie Bluetooth, Wi-Fi e GSM, oltre a reti cellulari GSM, CMDA e LTE. Le reti wireless conferiscono compattezza e comodità e i crescenti standard infrastrutturali come LTE/5G stanno spingendo a un uso ancora maggiore delle comunicazioni cellulari per la funzionalità M2M.

Protocolli a livello di applicazione utilizzati per le funzioni M2M

Le comunicazioni M2M avvengono principalmente al livello applicativo delle reti industriali - il livello superiore che interfaccia sistema e utenti - consentendo le comunicazioni tra dispositivi e controlli. Per semplificare la programmazione di questi software e servizi Web esistono numerose interfacce di programmazione delle applicazioni (API).

Immagine di vari protocolli di connettività di rete organizzati secondo la tassonomia dello standard OSIFigura 3: I modelli concettuali delle reti abbondano. Qui sono mostrati vari protocolli di rete organizzati secondo la tassonomia del modello più noto, lo standard Open Systems Interconnection (OSI) stabilito nel 1984. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Tra i protocolli usati regolarmente per le funzioni M2M vi è quello HTTP (protocollo di trasferimento di un ipertesto) a livello applicativo che definisce le strutture dei messaggi tra i browser Web e i server. HTTP è di solito associato al collegamento ipertestuale e ad altre strutturazioni conferite al World Wide Web. La sua funzione nelle applicazioni M2M è simile, in quanto i browser fungono da client che richiedono informazioni dai server che forniscono l'applicazione.

Per la connettività M2M viene utilizzato anche MQTT (Message Queueing Telemetry Transport), un protocollo di messaggistica basato su TCP/IP per comunicazioni M2M leggere. In alcune configurazioni, diversi client si scambiano informazioni il cui broker è MQTT. Queste funzioni di brokeraggio vengono eseguite da un ricevitore, un gateway o un server. Il broker accetta i messaggi che i client gli pubblicano; in cambio i client possono ricevere i messaggi a cui si sono abbonati.

Un altro protocollo impiegato per le funzioni M2M è quello aperto OPC Unified Architecture (OPC UA) per l'automazione industriale. Un'ulteriore opzione a standard aperto è il protocollo AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) per la trasmissione dei messaggi tra le applicazioni. Questo è lo standard utilizzato per la messaggistica aziendale in molte applicazioni aziendali. MTConnect (definito da ANSI/MTC1.4-2018) è invece uno standard di produzione che specifica come deve avvenire lo scambio dei dati di controllo tra i dispositivi di fabbrica e le applicazioni. I dispositivi di fabbrica possono essere sia attrezzature che strumenti e sensori. MTConnect standardizza i dati estratti in formato XML con descrizioni standardizzate dei componenti.

Sebbene esuli dall'ambito di questo articolo e non sia ben mappabile secondo lo storico modello di rete OSI, Amazon Web Services (AWS) IoT Core è un servizio di cloud gestito sempre più diffuso per le applicazioni M2M e IoT. Supporta HTTP e MQTT e fornisce l'elaborazione e l'instradamento sicuri di trilioni di messaggi tra miliardi di dispositivi sul campo ed endpoint AWS.

La prossima frontiera per le comunicazioni e il controllo M2M

Le reti M2M continueranno a proliferare, perché le imprese sfruttano i vantaggi dell'accesso ai dati. Hardware, software e comunicazioni di rete pronte per M2M si stanno evolvendo per conferire capacità senza precedenti all'industria e ad altri settori. Di conseguenza, le reti M2M continueranno ad essere un mezzo potente per trasmettere, ricevere e comunicare dati, in alcuni casi anche a complemento o incentivazione di installazioni IoT.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Lisa Eitel

Lisa Eitel lavora nel settore dei prodotti di movimento dal 2001. I suoi principali interessi riguardano i motori, gli azionamenti, il controllo del movimento, la trasmissione di potenza, il movimento lineare e le tecnologie di rilevamento e retroazione. Ha conseguito una laurea in ingegneria meccanica ed è membro della Tau Beta Pi Honor Society, membro della Society of Women Engineers e giudice del concorso regionale FIRST Robotics Buckeye. Oltre ai suoi contributi su motioncontroltips.com, Lisa è a capo dell'edizione dei numeri trimestrali di Design World.

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