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GENNAIO-FEBBRAIO 2025 FIELDBUS & NETWORKS 18 Fieldbus & Networks Lo scambio di informazioni tra il master e lo slave avviene attraverso i cosid- detti ‘Hart command’, raggruppati nelle 3 classi ‘Universal Command’, ‘Common Practice Command’ e ‘Device-Specific Command’. Gli Universal Command sono necessariamente implementati e gestiti da tutti i dispositivi di campo, indipen- dentemente da chi sia il costruttore; i Common Practice Command, come intu- ibile, includono quei comandi che, pur non essedo obbligatori, sono usati dalla maggior parte degli strumenti; infine, i Device-Specific Command includono tutti quei comandi proprietari del costruttore, che differenziano il suo strumento da quello della concorrenza per le particolari funzionalità supportate. A proposito di WirelessHart L’introduzione del protocollo WirelessHart ha permesso di superare alcune delle limitazioni dei sistemi cablati tradizionali, andando a rispondere alle esigenze di maggiore flessibilità, riduzione dei costi di installazione e inte- grazione con le nuove tecnologie. Un’infrastruttura cablata, infatti, può avere costi significativi nel caso di impianti complessi (o remoti), e può essere particolarmente difficoltosa da implementare in aree pericolose o difficili da raggiungere; inoltre, il cablaggio stesso rappresenta una limitazione nella scalabilità della rete. Pertanto, nel 2007 la Hart Communication Founda- tion (HCF) ha introdotto WirelessHart, divenuto poi standard internazionale IEC62591, come estensione completamente wireless del protocollo Hart, con il quale mantiene l’interoperabilità. La comunicazione avviene grazie all’impiego di radio compatibili con lo standard Ieee802.15.4 (lo stesso di Zigbee), che opera nella banda di frequenza libera nell’intorno di 2,4 GHz, come Bluetooth e wi-fi. La richiesta di determinismo è garantita dall’impiego, al livello fisico e di collegamento dati dello stack di comunicazione, del protocollo Tsmp (Time synchronized mesh protocol, si veda la figura 2). Grazie alla sincronizzazione temporale di tutti i dispositivi, questi condividono lo stesso senso del tempo e possono, pertanto, accedere al mezzo trasmis- sivo in maniera coordinata, riducendo al minimo le collisioni e massimizzando l’efficienza complessiva. In particolare, la comunicazione avviene in slot tem- porali predefiniti, della durata di 10 ms, allocati all’interno di un superframe di lunghezza configurabile. Negli slot a lui assegnati un nodo può: trasmettere, ricevere una conferma (acknowledge), o restare in attesa di messaggi di altri nodi. Inoltre, è previsto l’impiego del meccanismo di frequency hopping, in base al quale la trasmissione di un messaggio avviene ogni volta su un canale dif- ferente, permettendo così di evitare la perdita di dati a causa di interferenze presenti a una ben specifica frequenza. Questo è particolarmente utile, per esempio, per contrastare un segnale wi-fi: se anche un canale dovesse essere disturbato, il prossimo slot ne utilizzerà uno differente. La gestione della rete è affidata a un Network Manager (NM) che, a fronte di una configurazione iniziale dei dispositivi presenti nella rete da parte dell’utente, pianifica in anticipo e in maniera trasparente l’allocazione delle risorse disponibili (gli slot e i canali) per ognuno dei nodi, in modo da soddisfare le necessità in termini di tempo di aggiornamento, incluse le eventuali ritrasmissioni in caso di mancata ricezione della conferma. La topologia di rete è di tipo magliato (mesh), poiché i nodi della rete possono fungere sia da end-point tradizionali, sia da ripetitori, inoltrando il mes- saggio generato da un nodo vicino. In questo modo, una rete WirelessHart può auto-organizzarsi e auto-ripararsi, a vantaggio della resilienza rispetto agli interferenti. Infatti, il NM pianifica i percorsi all’interno della mesh in base alle statistiche relative alla connettività, basandosi, per esempio, sulla qualità del segnale ricevuto e sul numero di messaggi persi, statisti- che che vengono aggiornate dinamicamente; in caso di perdita di un nodo, provvede a rimappare il percorso per raggiungerlo passando attraverso altri dispositivi, che al momento hanno statistiche migliori. Trattandosi di una comunicazione senza fili, quindi condivisa, i messaggi sono crittografati e il protocollo prevede nativamente strategie di autenticazione e riservatezza del dato, grazie a una gestione delle chiavi a livello di sessione di rete (comune a tutti i dispositivi facenti parte della rete stessa) e applicazione (proprio di un particolare nodo). Pur essendo basato su una tecnologia completamente differente, dal punto di vista dell’applicazione vi è piena inte- roperabilità con il predecessore cablato Hart, con il quale WirelessHart condivide l’uso degli stessi comandi. A questo pro- posito è interessante ricordare che sono previsti dispositivi, detti adapter, il cui compito è, da un lato, di agire come normale nodo della rete wireless, par- tecipando alla comunicazione e all’instradamento dei dati all’interno della mesh; dall’altro, di accedere e rendere disponibili i dati diagnostici, di configu- razione e di monitoraggio disponibili in un dispositivo Hart tradizionale, con il quale condivide la connessione cablata. In questo modo, è possibile integrare dispositivi di campo cablati preesistenti in una rete wireless senza doverli sostituire, riducendo i costi e aumentando la flessibilità del deployment. L’ultima novità: Ethernet APL La novità più recente nel contesto delle infrastrutture di comunicazione per l’industria di processo è rappresentata dalla tecnologia Ethernet APL (Advan- ced Physical Layer). È innegabile che, almeno nel mondo office, Ethernet sia diventato il sinonimo per antonomasia di rete locale. L’idea di adottare questa tecnologia anche in ambito industriale è stata da tempo accolta da quegli stan- dard, genericamente indicati come Industrial Ethernet, che lo (ri)utilizzano come livello fisico. Tali soluzioni nascono, però, per soddisfare i requisiti dell’industria manufatturiera discreta, traendo vantaggio soprattutto dalle prestazioni più per- formanti di Ethernet rispetto ai tradizionali bus di campo. È solo con Ethernet APL che l’uso di Ethernet viene esteso agli ambienti di processo, introducendo un nuovo livello fisico, progettato per affrontare le esigenze specifiche di affi- dabilità, sicurezza e operatività in contesti difficili. Per Ethernet APL, dunque, viene utilizzato un tradizionale doppino twistato a 2 fili: si tratta di una comunicazione SPE, Single Pair Ethernet. Questo permette di supportare distanze di collegamento fino a 1.000 m, con una velocità di comuni- cazione di 10 Mbps full-duplex; inoltre, è nativamente prevista l’alimentazione integrata attraverso il bus stesso (PoDL, Power over Data Line), che prevede di Esempio di allocazione delle risorse <Canale,Slot> in una rete mesh che utilizza il protocollo Tsmp