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Capitolo 6.
Identificazione dei dispositivi ZigBee
Lo studio sulle caratteristiche della tecnologia IEEE 802.15.4/ZigBee e l’individuazione dell’applicazione sulla quale effettuare la sperimentazione, sviluppate nei capitoli precedenti, sono propedeutiche per orientare la ricerca tra i vari componenti hardware disponibili sul mercato e necessari per realizzare la rete di sensori wireless rispondente alle specifiche.6.1 Identificazione della tipologia del dispositivo
Visto il carattere completamente innovativo dell’utilizzo di questa tecnologia nel contesto, prima di poter procedere con una fase di installazione, si ritiene necessaria una fase preliminare nella quale verranno analizzate le risposte del sistema e il soddisfacimento dei requisiti. Per questa ragione orienteremo la ricerca su prodotti di semplice utilizzo e di veloce impiego sul campo.
Dapprima si è cercato di valutare su quale tipo di dispositivo fosse più conveniente concentrare le ricerche. Infatti si possono acquistare varie tipologie di nodi ZigBee, ognuna con determinate caratteristiche che possono essere più o meno compatibili con l’applicazione in cui i dispositivi devono essere inseriti. Nella Tabella 6.1 sono elencati i pro e i contro rispetto alla rete in progettazione delle tipologie di dispositivo incontrate nella ricerca.
Valutate le varie caratteristiche dei dispositivi, si è ritenuto necessario orientare la scelta sui moduli completi: questi infatti hanno la peculiarità di essere immediatamente disponibili e di contenere già a bordo le impostazioni necessarie per il ruolo che devono ricoprire nella rete. Questi aspetti sono estremamente importanti in una fase di sperimentazione nella quale i dispositivi devono essere installati e testati in tutte le sue funzioni per verificarne il comportamento. In una fase successiva, superati i test di funzionamento, nella quale si intende mettere in campo un numero consistente di dispositivi, questa scelta potrebbe essere rivista valutando anche i moduli microcontrollori. I moduli microcontrollori sono caratterizzati da costi più contenuti, ma necessitano di uno sviluppo (anche hardware) più elevato che andrebbe ad impattare sul costo complessivo del prodotto. Per questo motivo la convenienza del loro utilizzo potrebbe emergere in una fase nella quale sia necessario un numero elevato di dispositivi tale da permettete di ammortizzare i costi di sviluppo.
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Tabella 6.1 Confronto tra tipologie di moduli ZigBee
Tipologia Descrizione Pro Contro
System-on-chip ZigBee
Costituito dal solo microcontrollore ZigBee. Costo contenuto, massima flessibilità di configurazione e di realizzazione del dispositivo completo. Richiede una progettazione e uno sviluppo hardware e software elevato. Modulo-microcontrollore ZigBee Costituito dal microcontrollore ZigBee montato su di un supporto
predisposto per le varie interconnessioni con le unità
esterne (sensori, porte di comunicazione, antenna,
alimentazione).
Costo contenuto, buona flessibilità di
configurazione.
Necessita di una board su cui essere installato e di una configurazione
abbastanza elevata.
Modulo completo ZigBee
Box completo pronto per l'installazione sul campo.
Dispositivo pronto per l'uso, già predisposto in
funzione del ruolo che deve svolgere: nodo
sensore,nodo ripetitore, host.
Costi maggiori, minore flessibilità di configurazione.
6.2 Specifiche dei prodotti ZB-2000 series
Dopo una attenta analisi ed un confronto tra i vari moduli ZigBee completi come mostrato in Tabella 6.2, la scelta è ricaduta sui dispositivi ZB-2000 series della ICP DAS. I dispositivi della serie ZB-2000 si contraddistinguono per la vasta gamma di soluzioni che mettono a disposizione dell’utilizzatore, sono inoltre molto versatili per quanto riguarda i protocolli di comunicazione verso quello che rappresenterà il centro di raccolta dati, possono infatti comunicare con protocollo seriale (RS-232 RS-485) o TCP. Altra caratteristica importante è la possibilità di trasferimento dati con protocollo di comunicazione Modbus che permette un semplice interfacciamento con eventuali controllori preesistenti e una facile interpretazione dei dati tramite sistemi HMI (Human Machine Interface) per la realizzazione di sistemi complessi denominati SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
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Tabella 6.2 Confronto tra moduli ZigBee completi
Marca Advantech ICP-DAS Moxa
Modello ADAM 2000-Z Series ZB-2000 series NPort Z2150 Series, Z3150 Series Alimentazione 24Vdc, alcuni modelli
batterie AA 10-30 Vdc 12-48 Vdc
Interfaccia lato campo Analog In, Digital In
Digtal I/O, Analog I/O, RTD, Sniffer,
convertitore, ripetitore
Seriale
Interfaccia lato PC Seriale ETH e Seriale ETH e seriale
Protocollo lato PC Modbus RTU DCON, Modbus RealCom, TCP server-client, UDP
Range Temp. Operativa -20°C ÷ 70°C -25°C ÷ 75°C -40°C ÷ 75°C
Copertura 110m o 1000m 100 o 700m 100 m Pro Alcuni modelli possono funzionare a batterie. Ampia gamma di soluzioni lato campo
e lato PC
Il solito nodo può funzionare da coordinatore, router
o end device
Contro
Non prevede output e interfacce seriali lato
campo, N° max nodi nella rete 32 Necessitano di alimentatore esterno Necessitano di alimentatore esterno. Funziona solo da convertitore seriale
Costi Circa 150-200 € Tra 150-500 € a
seconda del modulo Circa 200-300 €
I ruoli principali che possono rivestire i moduli ZB sono:
1. ZigBee AI/O: sono una serie di dispositivi che hanno come interfacce verso il campo ingressi analogici, uscite analogiche o una combinazione di questi;
2. ZigBee DI/O: dispositivi che sono caratterizzati da ingressi digitali, uscite digitali o una combinazione di questi;
3. ZigBee Sniffer: ha la funzione di intercettazione passiva e controllo dei dati che transitano sulla rete;
4. ZigBee Repeater: funge da nodo ripetitore;
5. ZigBee Converter: può svolgere sia la funzione di convertitore host (coordinatore) che quella di convertitore slave.
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In Allegato 1 è riportato un elenco completo dei dispositivi della serie ZB-2000. Un possibile scenario nel quale vengono utilizzati alcuni nodi ZB con topologia della rete a stella è mostrato in Figura 6.1. Il nodo ZB-2570 svolge il ruolo di coordinatore della rete, gli altri dispositivi dialogano con questo e fungono da interfaccia diretta con ingressi e uscite (ZB-2060), oppure realizzano una conversione verso altre periferiche che dialogano in RS-485 (ZB-2571). Ovviamente questa è solamente un’architettura esemplificativa molto semplice che può essere arricchita mediante l’uso di più nodi-terminali, con l’inserimento di ripetitori per estendere il raggio di copertura (e/o creare ridondanze) e con la configurazione di una topologia di rete mesh oppure cluster-tree. Nella rete in progettazione il nodo ZB2570 ricoprirà il ruolo di coordinatore e sarà interfacciato con un elemento di raccolta e elaborazione dati, eventualmente anche con una postazione remota. Gli altri dispositivi saranno dislocati negli armadi di piazzale e svolgeranno il ruolo di moduli di acquisizione dati e ripetitori (per estendere e ridondare la rete).
Figura 6.1 Possibile scenario rete ZigBee
Ogni Dispositivi ZB della ICP DAS è realizzato in diverse versioni secondo determinate caratteristiche quali la potenza di trasmissione, il tipo di antenna, il range di trasmissione, le certificazioni conseguite e il numero massimo di dispositivi che possono essere gestiti. La Tabella 6.3 riassume queste caratteristiche secondo le varie versioni.
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Tabella 6.3 Versioni dei dispositivi ZB-2000 series
Feature Normal-version T-version P-version PA-version
Transmission power 9 dBm 4 dBm 22 dBm 22 dBm Antenna 2.4 GHz 3 dBi Omni-Directional antenna 3 dBi Omni-Directional antenna 5 dBi Omni-Directional antenna 5 dBi Omni-Directional antenna
Transmission range (LOS) 100 m 100 m
700 m (Typical) 700 m (Typical) 1 km(Max.) 1 km(Max.) Certification No CE/FCC,FCC ID No No
Max. Slaves in a ZigBee
network 60 254 60 254
Prima di analizzare nello specifico i dispositivi è opportuno porre l’attenzione su quelle che sono le caratteristiche in comune tra i moduli, indipendentemente dal modello e quindi dal ruolo ricoperto:
I dispositivi sono alimentabili a 10 ÷ 30 Vdc
La frequenza operativa utilizzata è rappresentata da quella ISM a 2,4 GHz e in fase di configurazione dei dispositivi è possibile scegliere tra uno dei 16 canali RF a disposizione;
Tutti i moduli sono totalmente compatibili con le specifiche IEEE 802.15.4 e ZigBee;
E’ possibile configurare i moduli tramite un’interfaccia grafica (GUI, Graphical User Interface) nel caso specifico tale software prende il nome di ZigBee Configuration Utility;
Ogni dispositivi è dotato dell’apposito supporto per il montaggio su barra DIN, utile nel caso di utilizzo in ambito industriale.
6.2.1 Moduli ZB Convertitori
Questi dispositivi si differenziano in prima istanza per il tipo di collegamento utilizzato:
1. ZB-2550 series, comunicazione solamente tramite interfaccia seriale (RS-232/485)
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Di seguito saranno analizzati i moduli del secondo tipo poiché ritenuti più completi. La seconda importante distinzione è legata al ruolo che il dispositivo assume nella rete:
Il modulo ZB-2570 è realizzato per svolgere il ruolo di coordinatore della rete; questo nodo realizza anche la funzione di host ovvero di dialogo con il punto di raccolta dati. Il Modulo ZB-2570 è utilizzato per inizializzare e gestire la comunicazione con gli altri nodi ed è permesso l’utilizzo di un solo dispositivo di questo tipo all’interno della rete;
I moduli ZB-2571 sono dei dispositivi slave che servono a mettere in comunicazione un’apparecchiatura che dialoga nei protocolli previsti con il posto centrale tramite il dispositivo host.
Le specifiche e le caratteristiche di questi dispositivi sono riportate in Allegato 2. In fase di configurazione dei moduli è necessario impostare:
Tipo di interfaccia, seriale o ethernet;
Modo operativo di trasmissione, verrà analizzato in seguito;
PAN ID, è un campo che individua la rete in modo univoco; è necessario settare il solito valore per tutti i nodi della rete;
Canale di frequenza, da 1 a 16;
Node ID, identifica il dispositivo all’interno della rete, di default il modulo host viene configurato con 0000;
Parametri ethernet, nel caso sia selezionata questa modalità, indirizzo IP, netmask, gateway, porta;
Parametri porta seriale, nel caso sia selezionata questa modalità, baud rate, data bit, parity Check, stop bit;
Per quanto concerne la sicurezza, vi sono due metodi di certificazione della rete. Il primo è la certificazione mediante l’utilizzo del PAN ID, basato sul fatto che se un nodo slave utilizza il solito PAN ID ed il medesimo canale RF del coordinatore gli è permesso di accedere alla rete. Il secondo metodo, più sicuro, è legato ad una certificazione degli indirizzi: il coordinatore ha una lista di indirizzi ammessi, legal address, se un dispositivo non fa parte di questa lista oppure ha un indirizzo duplicato, non può entrare a far parte della rete. Come detto in precedenza i convertitori ZigBee possono comunicare verso l’esterno con interfaccia seriale o ethernet, il modo operativo di trasmissione può essere Trasparente, Modbus oppure Indirizzabile. La Tabella 6.4 evidenzia le possibili combinazioni tra interfaccia e modo operativo.
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Tabella 6.4 Modi operativi di trasmissione
Interfaccia Modo operativo Moduli supportati
Porta Seriale RS-232/RS-485)
Trasparente ZB-2570 e ZB-2571
Modbus RTU/ASCII ZB-2570 e ZB-2571
Indirizzabile ZB-2570 e ZB-2571
Serial ZBIO (DCON e Modbus) ZB-2570 e ZB-2571
Ethernet (RJ-45)
Trasparente ZB-2570 e ZB-2571
Modbus TCP ZB-2570 e ZB-2571
Indirizzabile ZB-2570 e ZB-2571
ETH ZBIO (DCON e Modbus) ZB-2570 e ZB-2571
Multi-interface
TCP to RTU ZB-2571
RTU to TCP ZB-2571
Virtual Com to trasparent ZB-2570
Modo trasparente seriale: i dati vengono scambiati dai dispositivi connessi ai convertitori ZB host e slave in modo trasparente. In questa modalità i frame dati vengono frammentati in pacchetti di 50 byte e trasmessi una volta ogni 50 millisecondi, i dispositivi trasferiscono immediatamente i dati sulla porta seriale una volta ricevuti. E’ particolarmente adatto in applicazione in cui il numero di nodi non è troppo elevato e nelle quali i data frame sono minori di 50 byte.
Modo Modbus RTU (Remote Terminal Unit) / Modbus ASCII: in questa modalità i dati vengo frammentati in pacchetti di 48 byte ma, a differenza del caso precedente, l’host e gli slave attendono il passaggio di tutti i dati sulla porta seriale, per questo motivo è adatto anche ad applicazioni con data frame superiori a 48 byte. Deve essere utilizzato nei casi di collegamento verso PC o controller che dialoghino in Modbus.
Modo indirizzabile seriale: è adatto nel caso in cui i dispositivi esterni collegati alla porta seriale del nodo slave non siano indirizzabili e si differenzia dal modo trasparente per il fatto che viene indirizzato il dispositivo ZigBee slave al posto dell’utilizzatore finale in modo che il pacchetto possa giungere correttamente a destinazione. Anche in questo caso avviene una frammentazione e i dati vengono spediti immediatamente sulla porta seriale, perciò è adatto ad applicazioni con data frame minori di 50 byte.
Modo serial ZBIO: è una modalità particolarmente adatta per pilotare dispositivi ZigBee dotati di ingressi e uscite. Anche in questo caso avviene lo spacchettamento di 48 byte in 48 byte e l’invio immediato sulla seriale.
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Modo trasparente ethernet: è analogo al modo trasparente seriale ma utilizza l’interfaccia eth.
Modo Modbus TCP: è analogo al modo Modbus RTU/ASCII ma utilizza l’interfaccia eth e il protocollo Modbus TCP.
Modo indirizzabile ethernet: è analogo al modo indirizzabile seriale ma utilizza l’interfaccia eth.
Modo ETH ZBIO: è analogo al modo ZBIO seriale ma utilizza l’interfaccia eth. Modo Modbus RTU/ASCII to Modbus TCP: è studiato appositamente per mettere in comunicazione controller che dialogano con interfaccia Modbus TCP, collegati al modulo ZB slave, con un PC che comunica in Modbus RTU collegato al modulo ZB host.
Modo Modbus TCP to Modbus RTU/ASCII: è studiato appositamente per mettere in comunicazione controller che dialogano con interfaccia Modbus RTU, collegati al modulo ZB slave, con un PC che comunica in Modbus TCP collegato al modulo ZB host.
Modo Virtual COM to trasparent mode: è un modo specifico che permette di utilizzare l’interfaccia ethernet come se fosse una porta seriale.
6.2.2 Moduli ZB Ripetitori
I moduli ZB-2510 sono indispensabili per la formazione di una rete robusta ed estesa; svolgono infatti come principali funzioni l’estensione del raggio di copertura e la realizzazione di ridondanza nei percorsi. Informazioni relative alle specifiche sono riportate in Allegato 3.
Questi dispositivi possono operare in tre modalità differenti, ognuna corrispondente ad un flusso dati più o meno statico.
Modalità Broadcast: in questa modalità il percorso è costruito dal coordinatore, mentre il ripetitore trasmette tutti i dati che riceve in broadcast senza preoccuparsi di altro. In una prima fase c’è un ciclo di discovery in cui l’host cerca il cammino ottimale per raggiungere i vari dispositivi, dopo di che questi percorsi vengono normalmente utilizzati fino a quando non avviene una variazione nella topologia della rete (nodi guasti, nuovi dispositivi installati, variazione di posizionamento). Questo modo ha come vantaggio una maggiore robustezza e scalabilità della rete legata alla dinamicità dei percorsi e all’auto-riconfigurazione del sistema a carico del nodo host; inoltre in modalità broadcast i ripetitori possono essere installati liberamente senza preoccupazione del posizionamento. Possono però nascere problemi in caso di sistemi molto complessi con un numero elevato di dispositivi, nei quali questo approccio non è consigliato poiché potrebbe portare al blocco della rete. Nella Figura 6.2 è riportato un semplice scenario nel quale è utilizzata questa modalità.
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Figura 6.2 Modalità broadcast
Modalità percorso user-defined (tipico): in questa modalità i ripetitori devono essere configurati con due indirizzi ID repeater che definiscono quali sono i ripetitori a cui inoltrare i dati nelle due direzioni, ovvero da host verso slave e viceversa. In questa modalità l’architettura è sicuramente più snella e la possibilità di conflitti è minore, si perde però in affidabilità del sistema. In modalità user-defined basta un singolo guasto per interrompere la comunicazione, nel caso di nuove implementazioni o modifiche sarà necessario inoltre riconfigurare buona parte dei dispositivi. Come emerge dalla Figura 6.3 l’architettura che viene a crearsi in modalità user-defined è molto rigida.
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Modalità percorso user-defined (con back-up): è un buon compromesso tra le due modalità analizzate in precedenza. Si va a creare un percorso definito dall’utente e un percorso di ridondanza (back-up) che garantisce comunque la stabilità del sistema anche all’aumentare del numero di dispositivi ma riesce a mantenere disponibile la comunicazione nell’eventualità si presenti un’anomalia su di un dispositivo. La ridondanza viene inserita in fase di configurazione assegnando ad ogni ripetitore un indirizzo ID repeater principale ed uno di backup. Permangono anche in questa modalità i limiti legati all’autonomia di configurazione della rete in caso di eventuali modifiche. Nella Figura 6.4 è rappresentato il comportamento che avrebbe una rete configurata in modalità user-defined con backup nel caso in cui due dispositivi risultino in avaria; come si può notare il numero di ripetitori necessari affinché la ridondanza sia efficace è il doppio rispetto al caso tipico. Anche nei moduli ripetitore è necessario impostare il valore PAN ID, Node ID e RF channel.
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6.2.3 Modulo ZB Sniffer
Per rilevare ed analizzare il traffico tra i vari nodi della rete ZigBee, la ICP DAS ha realizzato lo sniffer ZB-2500, un estratto del datasheet è riportato in Allegato 4. Lo sniffer può essere utile in fase di messa in servizio della rete, per determinare il posizionamento ottimale dei nodi e per configurarli al meglio. Questo dispositivo ricopre un ruolo fondamentale anche in fase di monitoraggio dell’efficienza della rete e in fase di analisi delle prestazione del sistema sotto test, possono infatti essere definite una serie si prove di laboratorio per valutare alcuni comportamenti caratteristici del sistema come ad esempio: tempi di ciclo e latenza degli allarmi. Lo sniffer può essere utilizzato anche in fase di ricerca guasti.
Una volta installato il software di gestione ZigBee Sniffer, e selezionato uno dei 16 canali RF, lo sniffer inizia a raccogliere alcune informazioni dai pacchetti che circolano sulla rete e a compilare una tabella composta dai seguenti campi (Figura 6.5):
1. Time: tempo di ricezione del pacchetto;
2. Packet Type: dall’intestazione del pacchetto determina se si tratta di un Join
Network, di uno Slave Connection Check o di un Data Trasmission;
3. PAN ID: possono essere accettate comunicazioni solamente con il solito PAN ID;
4. From: mostra l’indirizzo virtuale del mittente del pacchetto; 5. To: mostra l’indirizzo virtuale del destinatario del pacchetto;
6. CRC Check: conferma il corretto funzionamento del meccanismo di controllo CRC;
7. RSSI (Received Signal Strength Indication): rappresenta un indicatore importante collegato alla potenza del segnale ricevuto;
8. Data: mostra il contenuto del campo Payload;
9. Content: mostra il tipo completo di comando e il contenuto dei dati; 10. From (64 bit): mostra l’indirizzo effettivo del mittente del pacchetto; 11. To (64 bit): mostra l’indirizzo effettivo del destinatario del pacchetto;
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Figura 6.5 Schermata tipo di alcuni campi del tool ZigBee Sniffer
6.2.4 Moduli ZB Input Output
Molteplici sono le soluzione nel caso ci sia la necessità di utilizzare dei dispositivi dotati di interfacce di tipo input/output sia analogiche che digitali. Le principali interfacce I/O disponibili nei moduli ZB sono:
Canali RTD (Resistance Temperature Detector) Ingressi analogici di tensione
Ingressi analogici di corrente Uscite analogiche di tensione Uscite analogiche di corrente Ingressi digitali isolati
Uscite digitali isolate Uscite Photo-MOS Relay Uscite Open Collector
Nei modelli analogici il range di tensione e corrente è configurabile, esistono modelli con solo un tipo di canale ed altri, più versatili, che mettono a disposizione alcune combinazioni di questi. Alcuni dispositivi sono dotati inoltre di meccanismi di protezione da sovratensioni (240 Vrms) e da isolamento intra-modulo tra campo e logica (3000 Vdc). La comunicazione avviene con protocollo Modbus RTU (che verrà
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approfondito nel prossimo paragrafo) o DCON, quest’ultimo è un protocollo proprietario composto da caratteri ASCII12, di tipo request/reply (richiesta/risposta) il cui formato è mostrato nella Tabella 6.5.
Tabella 6.5 Formato del protocollo DCON Formato della richiesta
carattere principale
indirizzo del
modulo comando checksum
carattere finale Formato della risposta
carattere principale
indirizzo del
modulo dati checksum
carattere finale
6.3 Cenni sul protocollo di comunicazione Modbus
Modbus è un protocollo di comunicazione di alto livello inizialmente sviluppato da Modicon e successivamente ceduto ad una organizzazione no-profit, Modbus-IDA. Questo Protocollo è basato sullo scambio di messaggi tra dispositivi in modalità master-slave e client-server ed è principalmente impiegato in ambito industriale per la comunicazione di sensori/attuatori con controllori, interfacce uomo-macchina e personal computer di supervisione. Una criticità di questo protocollo è legata alle applicazioni in cui svariati nodi sono collegati in multidrop ad una solita rete di polling, in questa evenienza la modalità di trasmissione di tipo master-slave può comportare un considerevole degrado delle prestazioni a causa del rallentamento della comunicazione. Un tipica comunicazione Modbus può essere circoscritta in tre fasi:
1. Richiesta di un dispositivo a un altro;
2. Azioni per il soddisfacimento della richiesta;
3. Risposta al dispositivo iniziale (risultato dell’elaborazione oppure messaggi di errore);
Vi sono più versioni del protocollo Modbus in base alle interfacce utilizzate: Modbus RTU, Modbus ASCII e Modbus TCP.
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ASCII, American Standard Code for Information Interchange, è un sistema di codifica dei caratteri a 7 bit, comunemente utilizzato nei calcolatori.
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6.3.1 Modbus ASCII e Modbus RTU
Modbus è stato inizialmente sviluppato per la comunicazione tramite interfacce seriali RS-232 e RS-485 nelle due varianti Modbus Ascii e Modbus RTU le quali sono adatte anche per mezzi trasmissivi differenti dal rame come i collegamenti radio e la fibra ottica. Le principali differenze tra i due protocolli sono riportati in Tabella 6.6.
Tabella 6.6 Confronto Modbus Ascii - Modbus RTU
Caratteristiche Modbus ASCII Modbus RTU
Caratteri usati Simboli Ascii delle cifre esadecimali 0, 1, 2, ... E, F
Valori binari compresi tra 0 e 255
Inizio frame Carattere ‘:’
la durata di un byte Silenzio di 3,5 volte Fine frame Sequenza CR/LF
la durata di un byte Silenzio di 3,5 volte
Bit iniziale 1 1
Bit dati 7 8
Pausa nel messaggio 1 sec 1,5 volte la durata di un byte
Controllo di ridondanza LRC Longitudinal Redundancy Check
CRC Cyclic Redundancy Check
In Tabella 6.7 viene mostrato la composizione del frame Modbus nelle due varianti seriale.
Tabella 6.7 Frame Modbus ASCII e Modbus RTU
Frame Modbus ASCII
Campo Start Address Function Code13 Data LRC End
Char. 1 2 2 N 2 CR+LF
Frame Modbus RTU
Campo Start Address Function Code Data CRC End
byte 3,5 1 1 N 2 3,5
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Il campo Function Code specifica il tipo di azione da eseguire (lettura di variabili, scrittura su registri, etc...).
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Nella modalità ASCII i singoli byte che costituiscono il messaggio sono trasmessi sotto forma di due caratteri ASCII (valore esadecimale 0,1,2,…,E,F). Durante il funzionamento in modalità RTU viene inviata direttamente la rappresentazione binaria del valore.
6.3.2 Modbus TCP
In questa versione del protocollo, viene aggiunto un modulo per l’incapsulamento TCP/IP (Figura 6.6), rendendo di fatto il protocollo conforme a quello internet (IP). Un qualunque PC connesso in una rete può scambiare messaggi con gli altri dispositivi tramite la porta 502 dello stack TCP-IP comunicando in Modbus TCP. Per mettere in comunicazione i dispositivi che comunicano con questo protocollo con altri che comunicano con Modbus ASCII/RTU è necessario l’impiego di un gateway che effettui la traduzione nei due sensi aggiungendo e rimuovendo l’incapsulamento dei dati14.
Il principale vantaggi di questa variante del Modbus sta nel fatto che la modalità di interazione tra i dispositivi è di tipo client-server e quindi ogni nodo server è in grado di scambiare dati simultaneamente con più dispositivi client.
Di contro, però, c’è da tener conto che l’utilizzo di una normale rete Internet per il collegamento tra i vari dispositivi non consente la realizzazione di sistemi deterministici che necessitano di prestazioni secondo degli standard specifici, questo inconveniente può essere in buona parte risolto con l’utilizzo di reti intranet dedicate e ad alte prestazioni.
Figura 6.6 Creazione del frame Modbus TCP
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6.4 Cenni sui sistemi HMI/SCADA
L’acronimo SCADA sta per Supervisory Control And Data Acquisition (acquisizione dati, supervisione e controllo) e riassume le principali funzioni svolte da questi sistemi. I sistemi SCADA sono basati sull’acquisizione dati e mettono a disposizione di un operatore alcune funzioni di supervisione, di controllo e di interazioni specifiche e dirette con il processo controllato. Questi sistemi trovano largo impiego nei settori del controllo del traffico (aereo, ferroviario o automobilistico) nella distribuzione dell’energia o dei fluidi (acquedotti, oleodotti, gasdotti) e nelle linee di produzione industriale. Un sistema SCADA deve possedere:
Interazione in realtime, cioè la capacità del sistema di reagire alle sollecitazioni del processo con ritardi trascurabili rispetto all’evoluzione del processo stesso; Alta affidabilità, questa caratteristica è legata alla probabilità di
malfunzionamento di ogni componente che costituisce l’intero sistema;
Elevata disponibilità, è la percentuale di tempo per la quale deve essere assicurato lo stato di esercizio del sistema
Grado di interazione uomo macchina, i sottosistemi HMI (human-manchine interface) sono responsabile dell’interazione tra gli operatori e il sistema; il grado d’interazione dipende dall’applicazione e impatta sulla complessità dello sviluppo.
Dimensioni geografiche, definite dalla collocazione dei dispositivi di acquisizione dati e del sistema di elaborazione.
Con il termine SCADA s’intende l’intero sistema comprensivo dei dispositivi di acquisizione dati, della rete di trasmissione dati e del sistema di elaborazione e presentazione dei dati. Lo schema riportato in Figura 6.7 ne rappresenta l’architettura tipo.
Di particolare interesse è la realizzazione dell’interfaccia uomo-macchina (HMI), questa deve essere infatti progettata tenendo in considerazione che l’utente finale che dovrà utilizzarla è l’operatore. Al centro dell’attenzione ci saranno perciò le esigenze dell’uomo: caratteristiche come la semplicità, l’intuitività e l’usabilità saranno prioritarie. Le principali funzioni dell’HMI sono la presentazione dei dati che possono essere schematici, tabellari o temporali e la gestione dei comandi operatore (manuali, automatici o semi-automatici). Altro fattore importante da considerare in fase di progettazione di un’interfaccia uomo-macchina è la funzione di supporto che questa deve svolgere nei confronti dell’operatore: la necessità d’invio di un comando è sicuramente da considerarsi un momento critico poiché richiede la determinazione, mediante delle procedure, di un evento che determini l’intervento dell’operatore, l’attuazione di un’azione di condizionamento e la verifica degli effetti sortiti. In tutte queste fasi, avere
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un’interfaccia che sussidi l’agente nelle operazioni e suggerisca delle soluzioni, contribuisce a ridurre la pericolosità dell’attività, ad abbassare lo stress psico-fisico dell’operatore e ad aumentare quindi la sicurezza del sistema complessivo.
I sistemi SCADA si basano inoltre su delle tecniche di elaborazione dati che non solo svolgono il compito di presentazione dei dati all’operatore affinché possa supervisionare il processo ed eventualmente intervenire, ma contribuiscono all’automazione del sistema mediante la valutazione dei dati rilevati, il confronto con delle maschere e la segnalazione di eventi e allarmi. Questo aspetto è molto delicato e richiede una progettazione accurata per fare in modo che il prodotto finito sia il più possibile immune da falsi allarmi e mancate segnalazioni.
Solitamente sono previsti anche degli archivi storici che hanno le seguenti funzioni:
Documentazione storica, per verificare, ed in alcuni casi documentare, come si è comportato il sistema in una determinata circostanza;
Monitoraggio del processo, per valutare alcuni aspetti del processo e intervenire per calibrarlo;
Interesse statistico e contabile.
