Cos'è un protocollo di comunicazione e perché è così diffuso

I protocolli di comunicazione definiscono il modo in cui i dispositivi di campo (sensori, attuatori o robot) scambiano i dati con i controllori, come i PLC o gli edge computer. Riducono i cablaggi, i tempi di installazione e i rischi di errore, consentendo di realizzare macchine più intelligenti e affidabili. Grazie ai protocolli, i dispositivi condividono la diagnostica, lo stato I/O e i dati sulle prestazioni, supportando il monitoraggio remoto, l'analisi guidata dall'IA, i servizi cloud e i nuovi modelli di business che promuovono l'efficienza e l'innovazione dei servizi.

Breve storia dei PLC e dei protocolli di comunicazione

I primi PLC si affidavano a collegamenti seriali RS232 per collegare dispositivi come monitor o stampanti. Alla fine degli anni '80, la tecnologia fieldbus ha sostituito il complesso cablaggio parallelo con la trasmissione digitale, successivamente standardizzata nella norma IEC 61158. A partire dal 1999 sono stati ampiamente utilizzati diversi sistemi fieldbus, con protocolli basati su Ethernet, in parte in tempo reale che costituiscono la generazione successiva. Oggi la connettività cloud, i data lake e la convergenza IT/OT definiscono la moderna comunicazione industriale, con la sicurezza che ormai è una preoccupazione fondamentale.

La convergenza IT/OT collega l'Ethernet per ufficio e l'Ethernet industriale

L'Information Technology (IT) gestisce dati e applicazioni, come sistemi informativi, computer da ufficio e reti. La tecnologia operativa (OT) monitora e controlla i dispositivi fisici come gli impianti di produzione. La convergenza IT/OT integra entrambi, spesso attraverso protocolli comuni. Tuttavia, le tecnologie sono diverse: l'Industrial Ethernet deve resistere a condizioni più difficili come vibrazioni, polvere e calore, richiedendo una maggiore robustezza. È progettato per prevenire gli errori e rispondere rapidamente alle interruzioni, utilizzando protocolli costruiti per elevate velocità di trasmissione dati, gestione delle collisioni e, soprattutto, comunicazione deterministica per garantire la trasmissione dei dati in tempo ed evitare guasti alla produzione.
Ma quali sono le migliori 10 tecnologie che stanno dando forma all'automazione industriale odierna?

Prima generazione di standard fieldbus

Nella prima generazione sono stati sviluppati oltre 30 protocolli, ma standard come Profibus, Interbus, CANopen, DeviceNet® e CC-LINK® hanno presto ristretto il campo a pochi protagonisti.

1. Profibus. Profibus è stato standardizzato a livello internazionale (ad es. EN 50170) e collegava controllori, sensori e attuatori. Varianti come Profibus DP e PA servivano a soddisfare diverse esigenze di automazione. È stato uno dei primi protocolli di automazione più utilizzati.

2. Interbus. Interbus, un primo standard industriale, collegava i dispositivi in una topologia ad anello per una trasmissione dati veloce e affidabile in ambito industriale.

3. CANopen e 4. DeviceNet®. Entrambi sono basati su CAN, sviluppato originariamente per il networking dell'automotive. DeviceNet® permetteva un'integrazione semplice e veloce, molto diffusa negli Stati Uniti, mentre CANopen offriva una maggiore flessibilità e funzioni di gestione avanzate.

5. CC-LINK®. CC-LINK® è un fieldbus aperto ad alta velocità e in tempo reale ampiamente utilizzato e standardizzato in Asia.

Seconda generazione di sistemi fieldbus basati su Ethernet

6. Profinet. Profinet è ampiamente utilizzato nell'automazione industriale per le sue elevate prestazioni, la scalabilità e la compatibilità con Ethernet. Supporta il trasferimento di dati standard TCP/IP, in tempo reale (RT) e in tempo reale isocrono (IRT), ideale per applicazioni complesse e critiche in termini di tempo. Profinet consente anche l'Industria 4.0 integrando l'automazione con i sistemi IT, supportando la diagnostica, la configurazione e la manutenzione.

7. EtherNet/IP. EtherNet/IP è ampiamente utilizzato nell'automazione industriale per la sua interoperabilità, scalabilità e dipendenza dallo standard Ethernet (TCP/IP). Basato sul Common Industrial Protocol (CIP), offre un quadro di comunicazione coerente per dispositivi come sensori, attuatori e controllori. Supportando la comunicazione in tempo reale e non, si adatta ad applicazioni che vanno dal semplice controllo alla produzione complessa.

8. EtherCAT®. EtherCAT® (Ethernet for Control Automation Technology) è un fieldbus Ethernet ad alte prestazioni e in tempo reale progettato per l'automazione industriale. Elabora al volo i dati mentre i fotogrammi passano attraverso i dispositivi, riducendo al minimo i ritardi e massimizzando l'efficienza. Conosciuto per la bassa latenza, la sincronizzazione precisa e la scalabilità, EtherCAT® è ideale per il controllo del movimento, la robotica e la produzione ad alta velocità.

9. Powerlink. Powerlink è un protocollo Ethernet aperto e in tempo reale per l'automazione industriale, che fornisce una comunicazione deterministica e ad alta velocità. Utilizza un meccanismo master-slave temporizzato per garantire uno scambio di dati preciso con bassa latenza e jitter, ideale per attività come il controllo del movimento e la robotica.

10. CC-LINK® IE. CC-LINK® IE è un fieldbus aperto, basato su Ethernet ad alta velocità, sviluppato dall'associazione dei partner CC-LINK®. Fornisce velocità gigabit e comunicazione deterministica in tempo reale per l'automazione industriale. Ampiamente utilizzato in Asia, consente la perfetta integrazione dei dispositivi in reti complesse e supporta applicazioni Industria 4.0 come le smart factories e l'IIoT.

Terza generazione con l'utilizzo di IT/OT, IoT/IIoT e tecnologie basate sul cloud

Oltre ai migliori 10 protocolli di automazione industriale, spiccano quattro fattori principali.

• Modbus® TCP. Modbus® TCP è un protocollo Ethernet semplice, aperto e ampiamente compatibile per attività non critiche in termini di tempo. Popolare per il monitoraggio e il controllo, supporta sia i sistemi legacy che quelli moderni. Sebbene non sia in tempo reale, la sua facilità d'uso e l'interoperabilità lo rendono fondamentale per l'integrazione di SCADA e Industria 4.0.
• OPC-UA. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) è un'architettura indipendente dalla piattaforma e orientata ai servizi per uno scambio di dati sicuro e affidabile nell'automazione industriale. Fondamentale per Industria 4.0 e IIoT, consente una perfetta integrazione IT/OT con scalabilità, sicurezza e supporto per dati complessi, eventi e accesso allo storico. OPC UA promuove una comunicazione neutrale rispetto ai fornitori e architetture flessibili, favorendo l'innovazione della smart factory. La sua evoluzione in tempo reale è OPC UA over TSN (Time-Sensitive Networking).
• MQTT. MQTT è un protocollo di messaggistica publish-subscribe leggero, progettato per una comunicazione efficiente in reti limitate o inaffidabili. Ampiamente utilizzato nell'IoT e nell'automazione industriale, consente lo scambio di dati in tempo reale, a bassa larghezza di banda e in modo affidabile tra sensori, dispositivi e piattaforme cloud. MQTT supporta la comunicazione scalabile e sicura e la perfetta integrazione dei dispositivi edge con i sistemi aziendali, rendendolo essenziale per Industria 4.0 e la produzione intelligente.
• IO-Link®. IO-Link® è un protocollo punto a punto, aperto e standardizzato che collega sensori e attuatori a impianti di automazione. Consente la comunicazione bidirezionale per i dati di processo, la diagnostica e la configurazione attraverso semplici cavi di alimentazione 24 V DC. IO-Link® potenzia le smart factories migliorando la trasparenza dei dispositivi, la manutenzione predittiva e la produzione flessibile. La sua facilità d'uso, l'interoperabilità e l'economicità lo rendono ampiamente adottato per un'efficiente automazione e gestione dei dispositivi.

Protocolli di comunicazione nelle smart factories

Una smart factory utilizza tecnologie digitali, automazione e scambio di dati per creare una produzione flessibile, efficiente e interconnessa. Integra IoT, IA, robotica, big data e sistemi cyber-fisici per il monitoraggio in tempo reale, le decisioni autonome e la comunicazione continua tra macchine, impianti e persone. I protocolli di comunicazione di seconda e terza generazione forniscono la base tecnica per l'analisi dei dati e i nuovi modelli di business. Istituti come business school e università utilizzano le fabbriche cyber-fisiche di Festo Didactic per la formazione su queste tecnologie.

Prodotti smart

Un prodotto smart è un oggetto fisico dotato di sensori, software, connettività e intelligenza per raccogliere, elaborare e scambiare dati. Ciò permette di ottenere funzioni come il monitoraggio remoto, l'autodiagnosi, il comportamento adattivo e l'integrazione negli ecosistemi digitali. I primi esempi includono il Motion Terminal VTEM di Festo, il modulo ad efficienza energetica (MSE6-E2M) e le unità di valvole intelligenti (CPX/MPA, CPX/VTSA, VTUX) che supportano MQTT e OPC UA. Le app IA industriali di Festo AX consentono analisi avanzate anche agli utenti che non hanno competenze in materia di intelligenza artificiale.

Sintesi e raccomandazioni

Le fabbriche e i prodotti smart sono il fulcro dell'Industria 4.0, in quanto favoriscono la produttività, riducono i tempi di inattività, migliorano la qualità e accelerano la risposta del mercato. Consentono una produzione sostenibile, promuovono l'innovazione e sbloccano nuovi modelli di business.
I computer edge, i PLC e i protocolli di comunicazione avanzati forniscono agli ingegneri gli strumenti per creare una solida base per un'analisi dei dati potente e soluzioni pronte per il futuro. I leader dell'innovazione come Festo accelerano questa tendenza offrendo soluzioni complete e uniche.