1. Preambolo

L’industria nel suo assieme copre una vastità di campi notevole. Parlando di industrie in genere si accenna a fabbriche di produzione, sì, ma anche ad industrie alimentari, di imballaggio, farmaceutiche e chimiche, di produttori e distributori di energia (elettrica e non) e via dicendo.
In genere, tutti questi campi ed altri ancora sono toccati dal fenomeno dell’automazione e quindi, indirettamente, dai sistemi di comunicazione industriali, meglio conosciuti come bus di campo.
Ovviamente certi settori sono maggiormente coinvolti da questo fenomeno, mentre in altri campi l’implicazione in queste tecnologie è più legata al fatto che i bus di campo sono parte integrante dei prodotti che si sviluppa e commercializza. Ne deriva quindi un interesse fondamentalmente diverso. L’approccio ai bus di campo deve avvenire tenendo conto di questi aspetti.

Il testo che segue vuole essere una base teorica e pratica utile a tutti gli interessati, destinata a far riflettere colui che si troverà confrontato a delle scelte nel settore. Lo scopo non è quello di creare ulteriori dubbi in merito, bensì di formare una base di nozioni e criteri di valutazione che aiutino a selezionare il bus più appropriato all’applicazione da realizzare.
Proverò ad essere il più neutro possibile nelle mie affermazioni. Tuttavia in un contesto di interessi economici e tecnici molto pronunciato, mi sarà magari difficile tenere sempre eque distanze dai vari sistemi che citerò. D’altra parte mi limiterò a far riferimento in particolare ai bus di campo che meglio conosco e sui quali mi considero sufficientemente competente. Che i fautori di altri sistemi non me ne vogliano!

2. Primo approccio

2.1. Cos’è un bus di campo?

Innanzitutto, per mettersi tutti d’accordo sull’argomento di questo testo, mi sembra giusto rispondere ad una domanda spontanea e fondamentale:

"Cos’è un bus di campo?"

Il concetto di "campo" fa pensare in modo chiaro a qualcosa di limitato, non solo geograficamente, ma forse ancor più concettualmente. Un campo, inteso come settore di una certa materia, rappresenta senz’altro bene il dominio a cui si applica il bus, e questo a diversi livelli di astrazione, come lo vedremo più avanti, al momento in cui si parlerà di integrazione della produzione secondo i concetti CIM.
D’altra parte, in questo luogo voglio ancora spendere due righe sulla parola "bus", che ovviamente non ha nulla a che fare con i mezzi di trasporto pubblici. Nulla? Ebbene, paradossalmente invece sì! Un bus, in un contesto legato all’informatica o all’elettronica, svolge un ruolo identico ai comuni veicoli: il bus (informatico) è un mezzo di trasporto pubblico dei dati. Fisicamente si tratta di un fascio di conduttori collegante assieme più circuiti per permettere loro lo scambio dei dati.

Senza voler entrare troppo nei dettagli, sottolineo la relazione tra il concetto di "più circuiti" ed il fascio "comune" di conduttori. Contrariamente ad una connessione "punto-a-punto", dove solo due circuiti si scambiano informazioni, un bus conta generalmente un numero di utenti superiore. D’altro canto un bus (di campo) trasferisce generalmente i dati in modo seriale, ovvero un bit dopo l’altro, ad eccezione di qualche applicazione specifica come il bus SCSI o il noto IEEE-488, largamente usato per l’interconnessione di strumenti di misura. In questi due casi i dati vengono inviati per pacchetti di bit (byte o più), in modo parallelo. Entrambi i sistemi, però, non possono essere considerati come bus di campo, ma piuttosto come bus per comunicazioni informatiche dedicate.

Per una trasmissione seriale, dunque, un numero di conduttori molto limitato basta allo scopo. Generalmente, infatti, dei cavi a due o tre conduttori sono sufficienti. Inoltre, grazie alla maggiore facilità di immunizzare i cavi dalle perturbazioni esterne e reciproche, si può coprire delle distanze maggiori che non con dei cavi piatti ad un numero maggiore di conduttori.

Anche qui un confronto con le connessioni punto-a-punto è spontaneo: la topologia stessa del bus, ovvero la forma che assume fisicamente il cavo che collega i vari circuiti, ha un aspetto fondamentalmente distinto. Mentre una comunicazione punto-a-punto è limitata ai due circuiti collegati ai due estremi del cavo, nel caso di un bus la flessibilità di estensione aumenta. In effetti, generalmente non pone nessun problema l’aggiunta di un nuovo circuito da collegare al bus esistente.

Per far sì che la comunicazione funzioni, il modo di scambiare dati attraverso un bus cambia radicalmente rispetto alla comunicazione punto-a-punto. Se su di una linea collegante due nodi, magari in modo full-duplex, questi sono praticamente liberi di trasmettere quello che vogliono, come vogliono (esempi: due terminali collegati tra loro da una RS-232, oppure un terminale Videotex collegato via modem alla centrale VTX, dove addirittura le cadenze di trasmissione e di ricezione sono distinte!), l’accesso ad un bus comune esige delle regole di convivenza più severe. L’insieme di queste regole si chiama protocollo.

D’altra parte, e questo è particolarmente importante per un bus di campo, si ricorre sempre ad un meccanismo supplementare di sicurezza in modo da poter garantire un trasporto corretto dei dati da un punto all’altro della rete. Vi sono diversi modi di realizzare questa protezione. Spesso vengono usati diversi di questi meccanismi per una sicurezza maggiore.

Insomma, per poter comunicare attraverso un bus di campo esistono regole severe, misure di sicurezza ed esigenze tecniche non indifferenti. La comunicazione dei dati che ne deriva non è così triviale come in un sistema punto a punto o in un sistema che ne fa direttamente a meno, tramite un cablaggio più esteso e centralizzato della sensorica, delle periferie e degli azionatori. Allora, perché bisognerebbe scegliere un bus, se questo comporta degli impegni e delle difficoltà tecniche a volte difficili da dominare?

2.2. Perché un bus di campo?

Fondamentalmente ci sono due argomenti a favore dei bus di campo che stanno alla base di tutti gli altri vantaggi:

Da questi due spunti scaturisce tutta una serie di argomenti spesso utilizzati anche a fini commerciali dai produttori e distributori dei vari sistemi di comunicazione. Eccone alcuni dei più correnti:

Esistono pure, ovviamente, qualche svantaggi che mi sembra giusto segnalare in questo luogo, in contrapposizione agli aspetti positivi appena citati:

Gli svantaggi principali sopracitati, in particolare i primi due, sono generalmente temporanei, in quanto legati al fatto di dover accedere ad una nuova tecnologia. Tuttavia, con il tempo e la pratica i vantaggi non dovrebbero farsi attendere. Per questa ragione è vivamente consigliato a tutti i potenziali utilizzatori di interessarsi al tema sufficientemente presto, per non arrivare a dover improvvisare soluzioni con mezzi che non si riesce a comprendere.

2.3. Chi è interessato ai bus di campo?

La domanda che a questo punto ci si chiede è effettivamente: chi è, o dovrebbe essere, interessato a questa tecnologia? Si può rispondere classificando in tre categorie di professionisti i potenziali interessati:

Fig. 1: categoria di professionisti interessati ai bus di campo

Le esigenze dei membri di queste tre categorie sono ovviamente diverse. Per i primi il fatto che l’installazione funzioni grazie ad un bus di campo o meno è totalmente indifferente, o quasi. Per questa ragione questa categoria di persone può essere tranquillamente eliminata dalla lista dei professionisti che nutrono interessi per i bus di campo. Fanno eventualmente eccezione in questo caso le persone che si dedicano alla manutenzione degli impianti, le quali però possono essere classificate nella seconda categoria.
Questa seconda categoria comprende persone per cui, benché siano sensibili all’aspetto del costo, non fosse altro che per rimanere concorrenziali nelle offerte e prestazioni che possono offrire, fanno ricorso ai bus di campo per semplificare il più possibile la progettazione e realizzazione degli impianti, in modo da ridurre soprattutto i costi di sviluppo, messa in servizio e manutenzione. In quest’ottica saranno particolarmente interessati a strumenti di diagnosi, monitoraggio e configurazione della rete. D’altra parte preferiranno ovviamente i sistemi di comunicazione che offrono una semplicità d’uso maggiore. Grazie all’impiego dei bus di campo, chi appartiene a questa categoria potrà vantare una grande flessibilità di concezione e innumerevoli facilitazioni di estensione o modifica successive.

Chi invece deve realizzare apparecchiature capaci di comunicare attraverso i bus di campo, o in genere tutti coloro che si trovano a dover sviluppare dei moduli di comunicazione per bus di campo sono piuttosto interessati alla complessità del loro compito, alla disposizione sul mercato di chip che integrano il più possibile della funzionalità di comunicazione, al supporto allo sviluppo (SW in particolare), ecc. Per loro è primordiale riuscire a realizzare un circuito semplice che non richieda particolari sviluppi sia HW che SW, possibilmente mediante componenti buon mercato.
Come si intravede già sin d’ora, data la natura diversa di interessi che spinge la gente ad approdare ai bus di campo, le scelte di impiego di un sistema piuttosto che un altro risulta abbastanza soggettiva.

2.4. Qual è l’origine della "moda" dei bus di campo?

Non è proprio corretto parlare di moda, anche se negli ultimi anni l’argomento "bus di campo" è stato effettivamente sfruttato a scopi commerciali in modo molto pronunciato.
È forse più corretto chiedersi qual è l’origine della tendenza a passare da dei sistemi tradizionali a dei sistemi basati sui bus di campo. Questa tendenza, totalmente indipendente da aspetti di moda o propaganda, è infatti reale.
L’approccio ai bus di campo e, in generale, ai sistemi di comunicazione è più naturale di quanto ci si possa immaginare in un primo tempo. In effetti questa tendenza non è altro che il frutto di un’evoluzione delle tecnologie che ha cominciato all’inizio del 1900, con l’era industriale, e che si protrae ancora oggi, lungi dall’essere terminata. Tuttavia nel campo delle comunicazioni (intese come trasporto di dati) si nota un percorso in senso inverso dell’evoluzione meccanica, dapprima, e elettrotecnica in seguito. Mi spiego: dai livelli più astratti di scambio di dati, la comunicazione è stata applicata al livello gestionale, poi agli automatismi, ed in seguito anche al livello dei sensori ed azionatori. Graficamente il concetto risulterà più chiaro, per cui vi rimando all’immagine seguente:

Fig. 2: evoluzione della tecnica nel campo dell’automazione

All’inizio del secolo, con la scoperta della potenza del vapore, si è scatenata una serie di innumerevoli invenzioni ingegnose. Ben presto i più astuti hanno cominciato ad elaborare dei sistemi a leve e camme per permettere l’automatismo di alcuni processi semplici. Uno dei primi frutti è stato il motore a vapore, usato sia in ferrovia che nelle industrie. In questo caso si trattava di commutare automaticamente l’immissione del vapore da una parte o dall’altra dello stantuffo, in modo da automatizzare l’andirivieni di quest’ultimo. Altri sistemi a bilanciere permettevano la regolazione della pressione e della velocità.
Questi meccanismi hanno conosciuto innumerevoli variazioni e sono evoluti fino ai sistemi a camme, di cui ci si serve ancora oggi, in particolare nei motori a combustione, ma anche ancora su certe macchine utensile.
Tuttavia, per alcune applicazioni, ci si rese presto conto che la meccanica non offriva sufficiente flessibilità. Ecco allora che una nuova tecnica fece apparizione: la pneumatica. Grazie a questa tecnica si guadagnava infatti un’enorme flessibilità, grazie al ridirezionamento attraverso tubi di segnali logici. In effetti, la pneumatica è stata il primo passo nella direzione della trasformazione di parametri fisici in parametri logici di comando. Nacque così rapidamente l’idea di combinare i vari segnali mediante valvole pneumatiche per automatizzare processi più complessi.

L’elettricità ha poi portato tutto ciò che si desiderava per poter ridurre ulteriormente il volume e la complessità dei sistemi pneumatici, permettendo non solo di conservarne la flessibilità ma, anzi, di aumentarla ancora notevolmente. L’invenzione dei relais permise di sostituire a meraviglia le valvole pneumatiche, specialmente per le funzioni "logiche". In un primo passo, d’altronde, la pneumatica e l’elettricità si completarono in modo eccellente. Ancora oggi si sfrutta questo binomio in un numero elevato di applicazioni.
I relais furono poi i precursori delle centraline programmabili (PLC in inglese, o CPI - componente programmabile integrato in italiano). Il passo decisivo verso una struttura programmabile fu infatti possibile unicamente grazie all’elettronica. È inutile sottolineare l’immensa flessibilità aggiunta grazie a questa ulteriore fase di astrazione...
I PLC (userò la sigla inglese in quanto maggiormente conosciuta e diffusa in italiano) hanno conosciuto anch’essi una vera e propria successione di rivoluzioni. Da semplici sostituti dei relais sono diventati nel corso degli anni dei veri e propri computer capaci di elaborare un numero sempre crescente di informazioni.
In generale, l’arrivo dei processori, l’evoluzione dell’elettronica e dell’informatica hanno contribuito in modo determinante ad aumentare la flessibilità e la vastità dei campi di applicazione, da una parte, mentre che dall’altra hanno reso più complesso l’insieme del sistema. L’elaborazione dei dati, infatti, richiede un numero sempre maggiore di cavi e collegamenti, che incidono sempre più sull’ingombro e sul prezzo dell’impianto. Per fortuna, queste stesse tecnologie hanno permesso lo sviluppo e l’evoluzione dei sistemi di comunicazione.

Un primo passo nel campo della comunicazione dei dati è stato quello di distribuire l’accesso ai calcolatori, grazie a delle reti a stella, dove un gran numero di utenti erano collegati all’unità centrale mediante una connessione punto-a-punto (la nota RS-232). Gli esempi maggiormente conosciuti (ed anche più vicini a noi) erano i sistemi VAX con i terminali VT-100, diventati nel frattempo uno standard de-facto.
Anche qui, grazie all’apporto tecnologico, il passo verso dei sistemi di comunicazione aventi delle topologie più moderne è stato rapido. Dalla struttura a stella si è passati a quella ad albero. La grande differenza risiede nel fatto che gli utenti sono collegati ad un unico cavo in comune. Le informazioni che hanno da trasmettere sono semplicemente multiplexate nel tempo.

L’evoluzione delle tecniche di trasmissione ha permesso lo sviluppo di nuovi protocolli di comunicazione, riducendo i tempi necessari alla comunicazione stessa, pur migliorando nel contempo la sicurezza e l’integrità dei dati trasmessi. Questo ha permesso dapprima un impiego dei sistemi di comunicazione per sincronizzare dei processi industriali indipendenti, poi una discesa verso il "campo" (la produzione), in modo sempre più capillare e dedicato, al punto di giungere al livello più basso (e più critico) dei sensori ed azionatori.
A questi livelli, malgrado esistano dei bus "sensori-attuatori" già da alcuni anni, la loro diffusione conosce un vero e proprio boom solo negli ultimissimi anni, mentre che i bus che si occupano di compiti ancora più critici, come quello della sincronizzazione di movimenti in tempo reale, sono ancora relativamente giovani ed ai loro primi passi in applicazioni industriali al di fuori dei laboratori di ricerca universitari.

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