Questo bus dovrebbe avere diritto ad una attenzione tutta particolare in ogni presentazione concernente i bus di campo. Il suo merito non è quello di essere migliore di tutti gli altri (lo abbiamo appena visto, non esiste il bus perfetto), ma piuttosto di essere il primo dei sistemi di comunicazione industriali accessibile a tutti. In effetti, nella storia dei bus di campo, esistevano già ben prima del Bitbus numerose soluzioni proprietarie. Il settore automobilistico ne era il principale artefice, sviluppando da tempo delle soluzione orientate principalmente a migliorare la produttività ed il grado di automazione dei propri impianti. Ma proprio per questa ragione, per mantenere una distanza di vantaggio rispetto alla concorrenza, le soluzioni realizzate non venivano divulgate e, sebbene se ne fosse tutti a conoscenza, non era possibile ottenere né componenti, né supporto nello sviluppo. Così ognuno sviluppava la propria soluzione, in modo che ogni marca automobilistica aveva il proprio sistema. Il Bitbus è stato concepito dalla Intel in collaborazione con altre ditte all’inizio degli anni ’80 quale sistema aperto. Le sue specifiche furono pubblicate nel 1983. Su questa base la Intel sviluppò un chip integrante tutte le funzionalità della comunicazione, offrendo così per la prima volta a chi doveva sviluppare interfacce di comunicazione un accesso molto semplice a questa tecnologia. Questo aspetto ha fatto sì che la sua diffusione è stata immediata e vastissima, a livello mondiale. Ancora oggi lo si può considerare sul podio dei bus più utilizzati al mondo, con i suoi milioni di nodi installati dovunque. Nel 1991 una commissione internazionale ha convertito questo standard de-facto in una norma, la IEEE-1118, aggiungendo qualche nuova caratteristica che non ha comunque compromesso la piena compatibilità con apparecchiature già presenti sul mercato e basate sulle specifiche Intel.
Malgrado sia il più anziano bus di campo aperto, si basa su di una tecnologia a quei tempi avanguardista ed ancora oggi sulla cresta dell’onda grazie alle reti di comunicazione informatiche e telefoniche digitali: il protocollo SDLC. Le caratteristiche principali del Bitbus possono essere riassunte come segue:
L’Interbus-S è stato creato dalla ditta tedesca Phoenix Contact. Questa è specializzata nella fabbricazione di morsettiere. Grazie alla sua esperienza in questo settore ha voluto contribuire a semplificare la vita ai montatori elettricisti, realizzando un sistema di comunicazione che permetta una riduzione massiccia dei cavi senza complicare l’esistenza a chi deve occuparsi della messa in servizio. Partendo da questo presupposto non poteva che nascere un bus del livello più basso, del tipo sensori/attuatori. Il concetto di base di questo bus, che possiede caratteristiche uniche nel suo genere, è simile ad un registro di shift ben conosciuto in elettronica. In effetti l’Interbus-S può essere visto come un grande anello in cui il master si occupa di spostare di un numero di bit corrispondente alla taglia della rete una trama contenente tutti gli stati delle uscite. Questi, transitando attraverso i nodi, sono sostituiti dagli stati delle entrate, al momento in cui attraversano il nodo corrispondente. Il vantaggio di questa architettura è proprio quello di aggiornare ciclicamente tutte le entrate e tutte le uscite, con un tempo di ciclo calcolabile esattamente in base alla dimensione della rete (numero di nodi e numero di entrate/uscite). Come la Intel ha fatto con il Bitbus, la Phoenix Contact ha capito ben presto che l’unico modo di diffondere rapidamente e con un certo successo il suo sistema era quello di offrire un supporto a chi sviluppa le interfacce. Anche questa ditta, quindi, ha sviluppato un chip integrante tutta la funzionalità del bus. L’altro passo obbligato, per evitare di ritrovarsi con una soluzione proprietaria, è stato quello di affrettarsi a trovare chi era ben disposto a convertire in norma tale protocollo. Attualmente il bus è anche conosciuto sotto lo standard DIN 19258.
In poche parole ecco le caratteristiche fondamentali di questo bus:
Il CAN è interessante a causa della sua origine, ma anche per via delle sue caratteristiche. Iniziamo dalla sua origine: il CAN è stato concepito dalla Bosch tra il 1983 ed il 1985 con lo scopo di ridurre fortemente il cablaggio all’interno stesso dei veicoli (automobili e camion). L’idea di base consisteva nell’ottimalizzare la comunicazione in modo da ottenere una flessibilità totale. Non si voleva dover realizzare una tipica e scomoda struttura master-slave, ma nel contempo si doveva poter garantire l’invio di informazioni critiche, per esempio riguardanti una frenata. L’idea che ne è scaturita è quindi stata quella di identificate il contenuto dei messaggi, piuttosto che non i nodi di destinazione. In tal modo un nodo qualunque può essere collocato per generare un determinato messaggio (chiamato oggetto) che viene trasmesso a tutti gli altri. Chi degli altri ha bisogno di tale informazione permette al messaggio di entrare. Nel caso contrario lo ignora semplicemente. Esiste addirittura la possibilità di filtrare tale informazione in modo da permettere l’entrata unicamente dei messaggi che si attende, mentre che quelli non desiderati vengono occultati. Chi accetta un messaggio può reagire di conseguenza, senza tuttavia essere obbligato a rispondere. Questa grande libertà di accesso permette di ridurre la comunicazione limitandola alla trasmissione indispensabile, per cui garantisce delle caratteristiche veramente apprezzabili. D’altra parte l’accesso multi-master pone un problema di collisione se due nodi cominciano a trasmettere simultaneamente. La Bosch ha risolto questo problema in modo molto elegante: ogni messaggio è identificato da un numero trasmesso in inizio di trama. I messaggi con numero più basso hanno una priorità più elevata. In caso di collisione, solo il nodo che sta trasmettendo il messaggio di priorità più bassa se ne accorge e sospende momentaneamente la trasmissione, mentre che l’altro nodo può proseguire senza dover ripetere nulla (CSMA/CA). Le caratteristiche necessarie nel settore automobilistico hanno spinto a realizzare questo bus orientato verso il livello basso dei sensori/attuatori. Per questa ragione i messaggi CAN hanno una dimensione massima di 8 byte di dati. La Bosch si è alleata con la Intel per realizzare fisicamente questo bus. Assieme hanno sviluppato un chip che integra tutta la comunicazione. Da allora, sotto licenza, un numero impressionante di produttori di componenti elettronici offre dei chip con interfaccia CAN. Esistono sia chip di interfaccia, da collegare quale periferici ad un processore, sia processori con interfaccia CAN integrata, sia circuiti integranti tutta la funzionalità ed in grado di lavorare da soli (moduli di entrate/uscite autonomi). Purtroppo l’interfaccia utente è libera. Si può dunque utilizzare il CAN pur mantenendo un protocollo proprietario. D’altro canto, però, esistono diverse specifiche standard che permettono di realizzare delle installazioni con prodotti di diversi fornitori.
Le altre caratteristiche principali sono:
Il Sercos fa parte della categoria di bus di campo dedicati ad applicazioni specifiche. È stato concepito da un istituto tedesco con lo scopo di ridurre il cablaggio dei motori ed offrire nel contempo un’interfaccia standard per il controllo degli stessi. A differenza di altri bus che permettono il controllo di movimenti, il Sercos è orientato alla fetta di mercato delle macchine utensile, laddove la sincronizzazione degli assi è essenziale. Si tratta di uno dei più recenti bus (è stato presentato nel 1989) e permette l’interpolazione di fino ad 8 assi simultaneamente. La sincronizzazione avviene attraverso il bus. Un numero di nodi superiore può tuttavia essere collegato, per esempio per integrare anche parte dei periferici del PLC, quali le entrate ed uscite. La sua topologia è ad anello, in quanto la connessione tra i nodi avviene mediante una fibra ottica unidirezionale, per permettere delle trasmissioni estremamente rapide. Il bus prevede un’interfaccia verso l’applicazione completa di numerosi parametri di configurazione che lo rendono un po’ complesso ma completo per lo scopo per il quale è stato ideato.
Anche per questo bus è stato sviluppato un chip e la sua diffusione, considerando la sua giovane età, è tutt’altro che limitata.
Le caratteristiche fondamentali del Sercos sono:
Come abbiamo visto, esiste un numero impressionante di bus di campo, di cui ne ho citato solo una minima parte. Sebbene tutti siano più o meno standardizzati, nessuno si profila in modo abbastanza forte all’interno della sua categoria per prendere sopravvento sui suoi rivali... Se si fa un confronto con le reti informatiche, si nota che in questo campo c’è una tendenza generale a convergere verso il protocollo TCP/IP su Ethernet. Come mai, dunque, le applicazioni industriali non convergono in modo analogo su di un numero limitato di soluzioni? Le ragioni attuali vanno anche cercate nella grande diversità delle applicazioni che si riscontra in quest’ambito, per cui un bus è preferito in un contesto, mentre che in un altro cede il posto ad un altro. Spesso però, non sono gli argomenti tecnici ad imporre una scelta, quanto più aspetti commerciali ed anche politici. Nel settore dei bus di campo, per esempio, il nazionalismo è ancora molto forte: la Germania trionfa con vari bus tra i quali troviamo il Profibus che ha beneficiato largamente di sussidi statali volti a diffonderlo. In Francia il FIP ha un posto preferenziale rispetto ad altri. Gli Americani, dal canto loro, provano con un marketing abbastanza aggressivo a divulgare il LON.
In questa battaglia, che si è tuttavia attenuata specialmente negli ultimissimi anni, non è emerso nulla di buono. L’unico spiraglio che taluni sperano si avveri, rifacendosi al detto che "tra i due litiganti il terzo se la gode", è quello di una nuova soluzione che soppianti tutte quelle correnti. Lo sviluppo di un nuovo bus, se non realizzato da un colosso industriale che possa imporlo su vasta scala, difficilmente avrà possibilità di essere avviato.
Guardando cosa avviene nel mondo dei PC, la creazione del USB (Universal Serial Bus) quale bus unico per collegare tutte le periferiche del PC all’unità centrale potrebbe apportare qualcosa di nuovo nel mondo dei bus di campo. Il boom che conoscono i PC da qualche anno a questa parte ha causato una caduta dei prezzi dei componenti usati in tale settore, per cui un nuovo sistema di comunicazione realizzato ed utilizzato da tutti in quest’ambito potrebbe essere "portato" nel contesto dei bus di campo e rappresentare una nuova soluzione a bassissimo costo ed alte prestazioni. Occorrono però ancora alcuni anni prima di vedere se questa tecnica può effettivamente essere usata anche al di fuori dell’ambito PC, sia per aspetti puramente tecnici che per motivi di disponibilità ed interesse delle persone coinvolte.
Ci sono però già diverse persone che sostengono intravedere un potenziale di applicazione di un altro sistema di comunicazione già diffusissimo nell’ambito dei PC: il protocollo TCP/IP usato nel settore dell’automazione utilizzando i suoi servizi di livello più basso, conosciuti sotto la designazione di socket BSD! Come mai questo sistema di comunicazione, se effettivamente adatto a tale scopo, appare solo adesso nei dispositivi di automazione quali i PLC? Ci sono due ragioni fondamentali: il TCP/IP è largamente diffuso sulle reti informatiche e, da qualche anno, sempre più anche sui computer di piccola dimensione quali i PC. D’altra parte proprio l’architettura PC sta varcando la soglia dell’officina, dove un sempre maggior numero di PC industriali viene impiegato. La loro presenza favorisce in modo naturale la presenza di una rete Ethernet con TCP/IP in tale ambiente. L’altro argomento ha un carattere più tecnico: il protocollo TCP/IP richiede una potenza di elaborazione che solo processori di una certa capacità possono consacrare, specialmente se si vuole sfruttare i diversi servizi disponibili. In parallelo, quindi, per questo protocollo risulta necessario disporre di più memoria. Questi due aspetti, fino a poco tempo fa, erano abbastanza critici per delle apparecchiature di automazione, basate per lo più su microcontrollori limitati e memorie statiche ridotte. Grazie alla caduta vertiginosa dei prezzi ed alla parallela ascesa delle capacità di calcolo e memorizzazione, dal punto di vista tecnico non vi sono più argomenti che possano impedire l’implementazione del TCP/IP anche in apparecchi finora non predisposti a questo tipo di comunicazione.
Un’evoluzione in questa direzione permetterebbe di facilitare un’integrazione completa di tutti i sistemi di comunicazione. Per il TCP/IP esistono sufficientemente componenti di comunicazione, quali repeater, bridge, router e splitter per separare a dovere i diversi segmenti di rete ed isolare così le diverse comunicazioni.
Comunque, il prezzo di queste soluzioni rimane attualmente ancora abbastanza elevato. In più vi è un rischio abbastanza grande di veder realizzare reti senza le dovute sicurezze di protezione dei dati, di isolamento dei segmenti e di segretezza reale, dato che sempre più spesso queste reti sono collegate tra loro, in particolare attraverso Internet. Il calcolo stesso del carico di rete non è così semplice. Insomma, rispetto a molti bus di campo, con TCP/IP non basta tirare un cavo tra i nodi e credere che tutto funzioni a dovere, senza problemi.
Fig. 25: confronto tra il modello TCP/IP ed il modello OSI
Il ricorso a TCP/IP quale bus di campo è quindi destinato sin dall’inizio a scomparire? Non lo credo per nulla. Rimango comunque dell’idea che una soluzione unica per più livelli gerarchici, come già scritto più volte nelle pagine precedenti, non potrà mai essere valida, salvo, come è possibile con il TCP/IP, se i vari livelli gerarchici vengono separati a dovere mediante router e se i servizi impiegati sono confacenti al livello gerarchico in cui si situano le apparecchiature collegate alla rete. Questo comunque richiede grande coscienza nello sviluppare nuovi dispositivi e nuove installazioni.
Tutto ciò non mi impedisce di affermare che i bus attualmente disponibili hanno davanti a loro ancora ampi spazi da contendersi per un futuro ancora abbastanza lungo e sicuro, tale da garantire loro addirittura una ulteriore crescita, mentre che la nascita di nuovi standard dovrebbe limitarsi a settori ed applicazioni specifici. Difficilmente intravedo la possibilità di concepire un nuovo prodotto atto a fare diretta concorrenza ai bus esistenti.
Abbiamo visto che esistono diverse categorie di bus di comunicazione (non solo di bus di campo) ordinate gerarchicamente in base al volume di dati che permettono di trasmettere, rispettivamente in base ai tempi di risposta tipici:
livello 0: bus sensori/attuatori
livello 1: bus di campo
livello 2: bus di cella o di officina
livello 3: reti informatiche (LAN)
livello 4: reti informatiche a grandi distanze (WAN)
I livelli 0, 1 e 2 coprono il settore industriale nel quale si situano i bus di campo, in particolare ai livelli 0 ed 1. In una categoria parallela si trovano inoltre ancora i bus dedicati a compiti specifici. Malgrado questa classificazione sistematica, ciò che si scopre analizzando le caratteristiche di un bus appartenente ad una categoria specifica è proprio che il limite separante una categoria dall’altra è piuttosto fosco e dipende fortemente anche dall’applicazione che si desidera realizzare, e non solo dal bus scelto. Benché la tentazione di adottare un bus unico in grado di coprire più livelli gerarchici sia forte, riveste una capitale importanza la valutazione oggettiva di ciò che si desidera realizzare. È evidente che il metodo di classificazione secondo i criteri della piramide CIM (quantità dei dati e tempi di reazione) non si adatta sempre ed in ogni caso, specialmente perché nella maggior parte dei casi una struttura a più livelli non si presenta neanche. Tuttavia esso costituisce l’unico strumento neutro di valutazione. Come è stato accennato nell’introduzione, i bus di campo non sono impiegati unicamente con lo scopo di automatizzare una parte di una catena produttiva, ma sono applicati in misura sempre maggiore in tutti i campi. Ne cito alcuni quali la tecnica degli impianti negli stabilimenti ("domotica"), le installazioni di sicurezza, ma anche il controllo di antenne e ripetitori radiotelevisivi, installazioni di misura di ogni tipo, le casse automatiche dei posteggi sotterranei, i semafori, impianti di illuminazione e sorveglianza in opere quali le gallerie ed i ponti, eccetera. In breve si può dire che i bus di campo sono utilizzati in quasi tutti i campi (appunto!). Proprio per questo diventa indispensabile acquisire le nozioni tecniche di base adeguate, per affrontare serenamente l’argomento e padroneggiarlo nel modo più confacente alle esigenze delle proprie applicazioni. Anche se questo passo può sembrare oneroso in una prima istanza, a medio e lungo termine l’investimento porterà numerosi profitti: non solo sarà possibile un risparmio di materiale e cablaggio, ma la messa in servizio e la diagnosi di impianti esistenti saranno semplificati e permetteranno una localizzazione rapida e dettagliata di eventuali guasti. A questo scopo, al momento di scegliere un bus di campo, le necessità dell’applicazione devono essere accompagnate da una valutazione dei servizi, degli strumenti e degli accessori di cui i vari bus dispongono. In linea di massima esistono per tutti i bus di campo degli attrezzi di monitoraggio del traffico di comunicazione e, in certi casi dove è necessario, esistono pure degli strumenti di configurazione. Il passaggio dalle tecniche di cablaggio tradizionale alla tecnica dei bus di campo, indipendentemente dal o dai bus scelti, si rivela così essere un mezzo per affrontare questo periodo di crisi, per riconquistare la credibilità e la competitività a livello nazionale ed internazionale.
I bus di campo fanno parte di una realtà industriale sempre più presente in un numero crescente di campi tecnici e meno tecnici. Nati dalle esigenze dell’industria automobilistica, i bus di campo sono oggi impiegati in tutte le installazioni in cui esiste la necessità di elaborare dei dati in tempo reale. Con questo testo ho voluto illustrare le ragioni principali di questa espansione, sottolineando l’importanza e la responsabilità che hanno le diverse classi di potenziali interessati a queste tecniche. Da una parte gli utenti finali sono in fin dei conti i meno coinvolti, in quanto beneficiano dei vantaggi dei bus di campo unicamente indirettamente grazie a dei costi di installazione meno elevati e delle prestazioni più affidabili. Essi non hanno quindi bisogno di conoscere le tecniche impiegate. I produttori di apparecchiature che comunicano tra loro attraverso i bus di campo sono invece confrontati a dei problemi di disponibilità di mezzi di sviluppo, sia HW che SW e di componenti specifici. Il loro compito di realizzare l’interfaccia di comunicazione idonea all’apparecchiatura non deve soccombere alla facile tentazione di realizzare delle soluzioni facili da sviluppare, sì, ma inadeguate alle esigenze dell’applicazione finale. Per finire, chi si serve di queste apparecchiature per realizzare delle installazioni automatizzate è responsabile della scelta del o dei bus di campo ideali da impiegare per svolgere il compito previsto. Risulta quindi evidente che tutte le persone confrontate nel loro lavoro con i bus di campo devono sforzarsi di acquisire una base di conoscenze tecniche teoriche e pratiche abbastanza vaste per permettere loro una valutazione lucida al di fuori di qualsiasi influenze commerciali e politiche, purtroppo molto forti in quest’ambito.
Ho quindi illustrato alcune nozioni fondamentali della comunicazione digitale, quali il modello OSI, la topologia delle reti ed una breve e parziale panoramica sulle interfacce più diffuse. Sono pure stati elencati in modo sintetico qualche consigli pratici per la pianificazione di una rete, in particolare del tipo RS-485 che è il più diffuso mezzo fisico utilizzato in molti bus di campo.
Un altro aspetto presentato è quello della classificazione in diverse categorie dei bus di campo, sulla base della posizione ideale che assumerebbero nella gerarchia CIM. Benché questo metodo di classificare i bus in base alla quantità di dati trasmessi ed il tempo di reazione previsto sia abbastanza sommario, costituisce uno strumento di valutazione semplice ed applicabile anche al di fuori di un contesto di produzione industriale integrato.
L’ultimo argomento da considerare, ma non per questo il meno importante, è la disponibilità di strumenti di messa in servizio e di monitoraggio della comunicazione. Grazie ad un modesto investimento in tal senso, diventa ben presto vantaggioso utilizzare i bus di campo, anche in installazioni non per forza distribuite su grandi distanze.
Dopo la descrizione di qualche bus di campo rappresentanti bene le diversità esistenti, ho gettato uno sguardo verso il futuro dei sistemi di comunicazione industriali. Benché si senta sempre più spesso parlare dell’impiego del protocollo TCP/IP quale protocollo unico per coprire tutti i livelli della gerarchia, l’immediato futuro resta ancora in mano ai bus di campo attualmente presenti sul mercato. Una soluzione unica per tutti i problemi di comunicazione non è immediata e, ammettendo sia possibile, rischia di avverarsi nettamente più complessa rispetto alle soluzioni attuali, già di per sé non sempre semplici! La nascita di nuovi sistemi è da escludere parzialmente: in qualità di bus di campo difficilmente ci sarà chi investe soldi nel progettarne uno nuovo. Vi è invece la possibilità che, come è successo per il CAN, un bus sviluppato per un certo tipo di applicazione venga traslato nel mondo dei bus di campo. In quest’ottica si sta profilando l’USB (Universal Serial Bus), un bus per periferiche di Personal Computer che ha fatto parlare di sé stesso già ben prima di apparire sul mercato.
La raccomandazione finale che mi permetto avanzare è di non esitare a compiere il passo in direzione dei bus di campo, in quanto è proprio nel settore dell’automazione moderna che è ancora possibile recuperare una certa competitività sia tecnica che economica a livello internazionale, ma anche regionale. L’importante è fare tale passo nel modo corretto, per cui è indispensabile abbordarlo in conoscenza di causa.
