Quale protocollo per l’IIoT?

L'obiettivo di IIoT (Industrial Internet of Things) è promuovere l'inizio di una nuova era per l'industria "intelligente". Basato sui concetti di apertura e interoperabilità, facile scalabilità e "Big Data", esso può aiutare le imprese a ottenere significativi miglioramenti operativi nei vari processi produttivi e aziendali.

Introduzione

Le tecnologie IIoT si rivolgono ad ambiti applicativi che già sfruttano i vantaggi della comunicazione M2M (Machine-to-Machine), dell'accesso remoto e dell'acquisizione e la raccolta di dati per supportare il controllo statistico di processo, la gestione della produzione e numerose altre iniziative finalizzate all'apporto di miglioramenti su base continuativa. In effetti, i flussi di dati attraverso le moderne imprese industriali sono già organizzati secondo una gerarchia matura e collaudata.

Al livello SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) e inferiori, i protocolli Industrial Ethernet si sono evoluti per soddisfare specifici requisiti associati all'automazione di processo. Un requisito particolare è il supporto per il controllo deterministico, spesso in real-time, con latenze ammesse inferiori al secondo. I protocolli Industrial Ethernet sono già stati adottati per soddisfare la crescente "fame" di dati delle odierne imprese industriali. Ciò ha permesso a queste ultime di rispondere in tempi più rapidi alle richieste dei clienti, a fronte di un aumento della qualità e una diminuzione dei costi.

Gli obiettivi di natura commerciale sono quindi ben delineati. Tuttavia, storicamente, la connettività in ambito industriale ha sempre cercato di privilegiare soluzioni di tipo custom, basate su standard proprietari che sono caratterizzati da difficoltà di implementazione, complessità di manutenzione e ridotta scalabilità. Sebbene le tecnologie IIoT possono senza dubbio contribuire a modificare questo stato di cose, il mondo dell'automazione industriale sta già cercando di superare le proprie limitazioni. I protocolli Industrial Ethernet si sono focalizzati su un ridotto numero di specifiche molto diffuse come ad esempio Profinet.

Industrial Ethernet "business-critical"

Profinet risulta particolarmente adatto per i processi tipici dell'automazione industriale: se da un lato è in grado di supportare la crescente richiesta di acquisizione dati e comunicazione M2M più ricche e complete, dall'altro può essere adattato per soddisfare esigenze specifiche dei processi industriali. Grazie alla vasta gamma di profili applicativi, famiglie di dispositivi possono utilizzare Profinet nello stesso modo, garantendo in tal modo l'interoperabilità e l'intercambiabilità di dispositivi e sistemi di produttori differenti. Tra i numerosi esempi di profili si possono segnalare PROFIdrive per azionamenti/motori, PROFIenergy che può essere utilizzato per la gestione dell'energia e PROFIsafe da utilizzare per le comunicazioni relative alla sicurezza funzionale. Oltre a ciò, il profilo Profinet I/O fornisce un mezzo per collegare dispositivi "non intelligenti" come commutatori meccanici per il monitoraggio dello stato e l'invio di comandi.

Profinet è stato anche progettato per gestire requisiti industriali particolari, come ad esempio operazioni sicure in ambienti pericolosi dove non è possibile utilizzare Ethernet. Profinet gestisce queste operazioni attraverso "proxy" (in pratica intermediari) che consentono a terminali di bus di campo sicuri di collegare apparecchiature poste in aree pericolose all'infrastruttura basata su Ethernet. In questo modo è possibile supportare una pluralità di specifiche di bus da campo, compresi PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, Interbus, DeviceNet, Foundation Fieldbus, e così via, oltre a dispositivi non "intelligenti" utilizzando profili come Profinet I/O.

Il successo di Profinet, che può vantare una basa installata composta da oltre 17 milioni di nodi, suggerisce che il controllo di supervisione tra i sistemi SCADA e le apparecchiature per l'automazione di processo è un aspetto ben gestito e che funziona in modo efficace. Le tecnologie IIoT possono contribuire a migliorare l'altra faccia della medaglia, ovvero l'acquisizione dati: più in dettaglio, fare in modo che i dati proveniente dalle attività produttive siano rilevanti e accessibili attraverso l'infrastruttura IT aziendale al di sopra del livello SCADA (figura 1).

Figura 1: robot in un impianto di produzione

Cosa può offrire IIoT?

Dal punto di vista commerciale, le tecnologie IIoT forniranno alle aziende i mezzi per attuare la trasformazione digitale con l'obiettivo di aumentare la produttività in fase di fabbricazione, migliorare l'efficienza aziendale e promuovere l'innovazione.

L'acronimo OPC UA (dove OPC sta per ObiectLinking and Embedding for Process Control e UA sta per Unified Architecture) è un protocollo emergente basato su Ethernet espressamente progettato per gestire la comunicazione di dati, allarmi, eventi e dati storici di processi industriali. Esso è indipendente dalla piattaforma, integra funzioni di sicurezza ed è in grado di supportare sistemi autonomi e "intelligenti". Grazie a queste caratteristiche, offre una piattaforma per una comunicazione aperta e indipendente dal costruttore apartire dal livello del controllore per collegare PLC (ProgrammableLogic Controller) e dati provenienti dai sensori con sistemi SCADA, MES, ERP e il Cloud.

Protocolli "leggeri" e standard aperti

MQTT (Message Queuing TelemetryTransport) potrebbe avere tutte le carte in regola per affermarsi come protocollo di ampia diffusione, unificando i domini dell'OT (Operational Technology) e dell'IT (Information Technology). In origine MQTT è stato ideato come un protocollo leggero, agnostico rispetto alla tipologia di dati, a basso overhead per il collegamento dati a ridotta ampiezza di banda ed è stato adottato nell'industria petrolifera e del gas (Oil&Gas). Esso è ora utilizzato in applicazioni di messaggistica come ad esempio Facebook Messenger, oltre che nelle piattaforme IoT di Amazon e IBM.

MQTT assicura le doti di scalabilità e flessibilità che ci si aspetta dalle tecnologie IIoT, utilizzando un modello publish/subscribe che garantisce l'indipendenza tra i produttori di dati (data producer) e i consumatori di dati (data consumer). Si tratta di un approccio fondamentalmente differente dai tradizionali principi della comunicazione M2M impiegata nel settore industriale che si basa su interazioni di tipo master/slave, dove il master domanda a intervalli regolari a ogni slave se ha dati da comunicare. In questo modello tradizionale l'introduzione di nuove fonti di dati come ad esempio sensori, oppure la modifica e l'espansione delle applicazioni per poter lavorare con insieme di dati più ampi, è un compito complesso e impegnativo.

Nell'approccio publish/subscribe (pubblicazione/sottoscrizione) usato dal protocollo MQTT, un produttore di dati (come ad esempio un sensore) pubblica semplicemente i dati nel momento in cui è pronto. Questi dati sono quindi disponibili a qualsiasi consumatore che abbia manifestato interesse gli stessi  attraverso una sottoscrizione (subscription). In questo modo è possibile introdurre nuove apparecchiature o variare le sottoscrizioni con interventi minimi. La pubblicazione dei dati seguendo l'approccio RBE (Report By Exception) permette di liberare ampiezza di banda di rete che può quindi essere utilizzata da apparecchiature OT critiche e sistemi aziendali. Oltre a ciò, il ridotto overhead (informazioni aggiuntive di servizio) del pacchetto e la linearità di funzionamento contribuisce alla sua semplicità: l'header è strutturato in due byte, il payload (ovvero il contenuto informativo) è specifico dell'applicazione considerata e le uniche azioni supportate sono connessione, disconnessione, pubblicazione, sottoscrizione e ping (misura del tempo di latenza).

Esistono altri protocolli di tipo publish/subscribe che possono risultare utili per le applicazioni di acquisizione dati in ambito IIoT. DDS (Data Distribution Service) è un protocollo aperto che non richiede un broker centralizzato, come un server MQTT, garantendo quindi una gestione della rete più semplice e una comunicazione più veloce. Caratterizzato da una risoluzione inferiore al millisecondo, il protocollo DDS è adatto all'uso in sistemi embedded e real-time, oltre che in applicazioni business-critical.

Tra gli altri protocolli di tipo publish/subscribe, AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) si è già affermato nel settore dei servizi funanziari e dispone di meccanismi atti a garantire il completamento delle transazioni. In ogni caso AMQP non è un protocollo leggero, fattore questo che potrebbe ostacolare la sua adozione nelle comunicazioni in campo industriale contraddistinti da un'ampiezza di banda limitata.

In alternativa alle soluzioni di tipo publish/subscribe come quelle appena sopra descritte, i protocolli Internet come CoAP (Constrained Application Protocol) utilizzano un'architettura di tipo REST (Representational State Transfer) per rendere disponibili le risorse sul server attraverso richieste. Un valore può essere ottenuto da un sensore con la stessa facilità con cui si interagisce con una API Web ed è possibile trasportare differenti tipi di payload. E' previsto il supporto di una pluralità di tipi di dati tra cui HTML, JavaScript, JSON e XML. JSON su HTTP si sta già affermando nel mondo IoT. CoAP è simile ad HTTP ma, grazie a un header ridotto, di soli 4byte, una codifica compatta e una struttura di richiesta semplificata, risulta particolarmente adatto per dispositivi basati su microcontrollori di fascia bassa. Le comunicazioni sono protette mediante DTLS (DatagramTransportLayer Security) che garantisce una sicurezza del tutto equiparabile a quella delle complesse chiavi RSA.

Conclusioni

L'automazione industriale, basata in larga misura su sistemi SCADA, ha adottato per molti anni le comunicazioni basate su Ethernet per sfruttarne la maggiore velocità, la migliore efficienza e la capacità di supportare future evoluzioni. La convergenza verso specifiche molto diffuse (come Profinet) permette di sfruttare l'affidabilità di una comunicazione ottimizzata per l'automazione industriale in grado di gestire interazioni in tempo reale e mission-critical, oltre ad assicurare l'interoperabilità tra moduli realizzati da differenti produttori in grado di espletare compiti molto specialistici.

In un prossimo futuro potrebbero diffondersi protocolli basati su Internet che garantiscono elevate prestazioni e un adeguato livello di precisione. Per il momento, il ruolo principale delle tecnologie IIoT è collegare i mondi dell'OT e dell'IT. Questo obiettivo può essere raggiunto consentendo uno scambio di dati più efficiente e leggero e rendendo più semplice l'accesso ai dati rilevanti per i sistemi IT. Scalabilità e flessibilità, ovvero i principi alla base di un'implementazione IoT, sono elementi importanti per favorire l'evoluzione nel momento in cui le aziende iniziano a comprendere come sfruttare le potenzialità di IIoT nelle loro imprese e ottenere ulteriori vantaggi per lo sviluppo della loro attività.

Un approccio di tipo "rip-and-replace" (che prevede quindi la sostituzione integrale) non è quello solitamente adottato nel mondo industriale, dove tutti gli investimenti sono ponderati con molta attenzione e in modo tale che producano il ritorno previsto in termini economici. I protocolli basati su Internet saranno introdotti nel mondo dell'automazione industriale nel momento in cui saranno in grado di assicurare il guadagno economico preventivato. Per questo motivo, protocolli come MQTT, OPC UA, CoAP e altri ancora andranno ad aggiungersi, piuttosto che sostituire immediatamente, a protocolli che ora detengono un ruolo dominante come Profinet.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics Distributore autorizzato - www.mouser.it

 

 

 

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