Le comunicazioni wireless industriali vengono utilizzate da oltre 30 anni per offrire connettività sicura e a costi contenuti all'automazione industriale, al controllo di movimento, al monitoraggio da remoto e ad altre applicazioni. Dato che negli anni sono aumentate la varietà e le distribuzioni delle installazioni, le nuove tecnologie wireless si sono evolute per offrire un mix specifico di portata, affidabilità ed efficienza energetica.
Attualmente, il culmine di tale evoluzione è rappresentato dall'Internet of Things. Sensori, controller di movimento, valvole, pompe, controlli per fermate di emergenza e molti altri tipi di dispositivi sono utilizzati in moltissimi modi, per fornire informazioni per le quali la tempistica è essenziale alle installazioni di tutto il mondo. Per alimentare il lato industriale dell'Internet of Things (IoT), le comunicazioni tradizionali via cavo e le tecnologie wireless più moderne, come Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, SigFox e Cellular WAN apportano ognuna un set di soluzioni differente. Selezionare la soluzione ideale presuppone una buona comprensione dei punti di forza e di debolezza di ciascuna tecnologia.
Mentre le comunicazioni via cavo rappresentano una tecnologia veloce, affidabile e ben diffusa, le soluzioni wireless offrono molti vantaggi nei casi in cui si desiderano efficienza di distribuzione o movimento. Il primo e probabilmente più ovvio vantaggio delle comunicazioni industriali wireless consiste nella possibilità di evitare installazioni di complicati e costosi cablaggi per le comunicazioni. In siti industriali di grandi dimensioni, tali costi possono avere un peso significativo, dato che i cavi possono raggiungere diverse centinaia di metri e attraversare ambienti ostili. Lo stesso accade per le installazioni all'aperto, dove i costi relativi al cablaggio per le comunicazioni diventano proibitivi. Anche le spese relative alla manutenzione sono ridotte, dato che non è necessario che i tecnici cerchino i danni lungo i cavi, potendo invece concentrarsi su un limitato numero di punti di installazione per eseguire il debugging dei problemi. Sono ridotti anche i tempi di commissioning e la complessità, specialmente nel caso di sensori e stazioni alimentate con batterie a bassa potenza. I loro vantaggi combinati fanno delle soluzioni wireless un'alternativa molto allettante alle tradizionali soluzioni via cavo.
In ogni caso, è necessario pianificare attentamente la distribuzione di soluzioni wireless in ambienti industriali. Spesso esistono dei requisiti operazionali e fisici da soddisfare per assicurarsi che le operazioni siano sicure e affidabili. I dispositivi di comunicazione devono essere in grado di sopportare temperature e umidità estreme, oltre all'esposizione ad acqua, agenti chimici, shock, vibrazioni, rumore e interferenze elettromagnetiche. I dispositivi installati all'aperto richiedono generalmente un rating IP65, che indica che il dispositivo è completamente isolato dall'intrusione di polvere e acqua. I dispositivi che non soddisfano tali stringenti requisiti ambientali, spesso non funzionano adeguatamente nelle distribuzioni industriali, il che può causare problemi di sicurezza, oltre agli ovvi problemi operazionali che derivano da un sistema di comunicazione difettoso. Un altro dei problemi più importanti riguarda la sicurezza, dal momento che dati manipolati potrebbero compromettere sia la sicurezza che il corretto funzionamento. I sistemi di comunicazione, infine, devono soddisfare stringenti requisiti di sicurezza, disponibilità e tempi di risposta, al fine di assicurare che i sistemi industriali continuino a funzionare come si desidera o che si spengano durante un malfunzionamento. Nei sistemi isocroni, anche errori di ricezione o trasmissione temporanei possono portare al fermo di un intero processo manifatturiero.
Fortunatamente, sono disponibili diverse opzioni per il controllo industriale wireless, ognuna con i suoi propri punti di forza. Per le distribuzioni localizzate, all'interno o intorno agli edifici, le tecnologie a 2,4 e 5 GHz sono le soluzioni dominanti, anche se è generalmente necessaria una pianificazione per assicurare il funzionamento ottimale di diversi dispositivi operanti nell'ambito della stesa gamma di frequenza. Per le installazioni all'aperto e i dispositivi che si trovano a maggiori distanze, vengono generalmente utilizzata una sorta di comunicazione cellulare.
Il Bluetooth funziona tra i 2400 e i 2480 MHz ed è utilizzato frequentemente per i link di comunicazione seriale industriale. I dispositivi Bluetooth Basic Rate (BR) supportano fino a circa 780 kbps, mentre i dispositivi Enhanced Data Rate (EDR) hanno un velocità di elaborazione di circa 2,1 Mbps. A seconda della classe del dispositivo utilizzato, il range negli ambienti industriali varia da 3 a 100 metri. Le operazioni a frequenza variabile adattiva su ottanta canali a 1 MHz portano a connessioni estremamente resistenti per dispositivi Bluetooth multipli, i collegamenti sono inoltre protetti con crittografia a 128 bit. È possibile collegare fino a 7 dispositivi a un unico dispositivo Master, mantenendo una completa velocità di elaborazione. Il Bluetooth è anche una tecnologia con capacità di funzionamento in tempo reale, offrendo una latenza di 5-10 ms. Alcuni dispositivi supportano anche collegamenti a dispositivi Bluetooth Low Energy (LE), noti anche come Bluetooth Smart. TI offre un esempio eccellente di tali dispositivi con capacità di doppio ruolo con il suo Modulo certificato di Interfaccia controller host CC2564 Bluetooth 4.1 a modalità doppia. Il dispositivo è adatto ad ambienti industriali e disponibile con o senza antenna integrata; supporta simultaneamente fino a sette connessioni BR / EDR e fino a dieci connessioni Bluetooth LE attive. Buffering separati assicurano che le connessioni BR/EDR attive non siano influenzate dalle connessioni Bluetooth LE.
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Il Bluetooth Low Energy utilizza l'affidabilità tecnica del Bluetooth per apportare diverse migliorie relative, in particolare, all'efficienza energetica e alle comunicazioni infrequenti. Per risparmiare energia, i collegamenti non vengono mantenuti in stato attivo, ma la riattivazione del collegamento impiega meno di 10 ms. Data la natura intermittente delle trasmissioni, è possibile connettere un maggior numero di dispositivi slave attivi. Più dispositivi causano tuttavia una maggiore latenza nel sistema, per questo motivo il numero di dispositivi connessi deve essere equilibrato rispetto ai requisiti di latenza in tempo reale del sistema. Le funzioni di risparmio energetico, però, sono accompagnate da minore velocità di elaborazione, dato che i collegamenti si limitano a circa 270 kbps. I prossimi miglioramenti standard del Bluetooth® Smart 2016 includeranno un range più ampio, maggiore velocità e reti mesh. Nelle impostazioni industriali, questo fa del Bluetooth LE la soluzione ideale per i sensori, gli attuatori e gli altri dispositivi alimentati a batteria, che devono poter gestire grosse quantità di dati per brevi e intermittenti periodi. TI offre diverse eccellenti soluzioni anche per il Bluetooth LE. Il dispositivo SimpleLinkTMCC2640 è una MCU basata su Bluetooth LE e su ARM-Cortex M3, mentre i CC2540 e 2541 sono soluzioni System on Chip (SoC) più economiche per applicazioni Bluetooth LE Master o Slave costruite sulla base della MCU 8051, che costituisce lo standard industriale. Offrono tutti un host per connettività I/O e permettono ai progettisti di implementare velocemente i design che rispondono alle loro esigenze.
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ZigBee è un'altra tecnologia mesh wireless con banda ristretta a 2,4 GHz e bassa potenza che viene sempre più utilizzata per il monitoraggio e il controllo industriale da remoto. Si tratta di una soluzione che ha costi minori, rispetto a un sistema Bluetooth o Wireless LAN, ma che offre una latenza molto maggiore, mentre la velocità dati è limitata a 200 kbps (a volte meno, a seconda del numero di nodi distribuiti). Data la sua topologia mesh wireless, ZigBee offre alcuni vantaggi davvero unici. I collegamenti singoli sono limitati a una linea di vista di 30-100 metri, ma nel complesso è possibile connettere ampie aree in una singola rete mesh ZigBee. I dispositivi possono anche essere configurati per aggiungersi alla rete automaticamente. Alcuni sistemi per i quali ZigBee rappresenta la migliore scelta sono i sistemi di controllo del traffico, i sistemi di monitoraggio, il controllo di elaborazione dati e altre applicazioni a bassa velocità di dati. I collegamenti sono protetti da crittografia a 128 bit, il che offre un buon livello di sicurezza. TI offre diversi dispositivi ZigBee che dovrebbero soddisfare qualunque requisito di installazione industriale. SimpleLink CC2630 è una MCU ZigBee completamente equipaggiata con una CPU ARM Cortex-M3 e capacità I/O uniche, compreso il supporto integrato per pulsanti touch capacitivi, mentre il più potente CC2630 non presenta alcune funzionalità I/O ma offre maggiore SRAM e flash. Se si desidera un microcontroller 8051, il CC2530 SoC di TI potrebbe essere una scelta migliore.
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Quando è necessaria una maggiore velocità di trasmissione, la WLAN industriale rappresenta la soluzione a 2,4 GHz prevalente, che offre eccellenti range e resistenza alle interferenze e un buon livello di sicurezza. Con il potenziamento offerto da ProfiNET, Profisage e altre tecnologie simili, può rappresentare una soluzione molto efficace per le comunicazioni industriali wireless. Questa tecnologia, nelle sue varie versioni, si evolve continuamente da oltre 20 anni. Nella gamma a 2,4 GHz, esistono 3 canali non sovrapposti e la velocità di trasmissione può raggiungere diverse centinaia di Mbps. Sia Bluetooth che ZigBee contengono meccanismi per interagire con WLAN a 2,4 GHz, mentre le versioni più aggiornate dello standard 802.11 aggiungono anche funzionalità che aiutano ad assicurare l'interoperabilità quando lo spettro risulta molto affollato. La WLAN può funzionare anche su più canali non sovrapposti nella banda a 5 GHz, che possono arrivare a 19, ognuno dei quali evita di competere per le stesse frequenze di Bluetooth, ZigBee e delle altre tecnologie a 2,4 GHz. Dato l'utilizzo di alte frequenze, è consigliabile mantenere una linea di vista nelle applicazioni a 5 GHz, ma, ciononostante, lo spettro non affollato lo rende una scelta allettante. Uno dei punti di debolezza della WLAN consiste nel fatto che può impiegare tra 50 ms a diversi secondi per transitare tra punti di accesso. Quando vengono utilizzati collegamenti WLAN per controllare dispositivi con ampi range di movimento, è necessario prendere delle precauzioni, per assicurare comunicazioni ininterrotte durante tali transizioni. Per le installazioni di punti di accesso singoli, connettere diverse antenne ad ampia distanza l'una dall'altra a un unico punto di accesso può assicurare un collegamento ininterrotto, come anche l'utilizzo dei cosiddetto cablaggio RF "leaky", che offre l'equivalente di un'antenna a breve distanza continua su un percorso esteso e fisso. Per i router con più di un punto d'accesso, le implementazioni radio multiple sono le più affidabili. Gli scenari più comuni includono l'utilizzo di una connessione per il controllo del segnale e un'altra per i dati, o un sistema scaglionato di AP ridondanti utilizzato per consentire il failover a una seconda rete attiva, quando la rete primaria è in transizione tra i punti di accesso. TI offre diverse allettanti soluzioni per le WLAN industriali. La SimpleLink CC3200 è un microcontroller a IC singolo con Wi-Fi 802.11 b/g/n basato su ARM Cortex-M4 che si adatta bene agli ambienti industriali. È in grado di eseguire protocolli Wi-Fi industriali, come ProfiNET e Profisafe, oltre a offrire ampie opzioni I/O. I WL1837 Wi-Fi e Bluetooth/Bluetooth LE radio integrati su un modulo certificato sono disponibili anche per i dispositivi con client Linux e Android o per le applicazioni ponte. Combina Bluetooth e sezioni 802.11 a/b/g/n RF, amplificatori di potenza, orologio, interruttori e filtri RF e gestione della potenza in un pacchetto MOC a 100 pin.
Per le comunicazioni che coprono maggiori distanze geografiche, viene generalmente utilizzata una tecnologia WAN wireless (WWAN). SigFox è un nuovo provider di reti WAN a basso consumo che sta costruendo una rete in stile cellulare e globale per i dispositivi Ultra Narrow Band (UNB). Il provisioning ha un costo estremamente basso ed è semplice sviluppare distribuzioni molto ampie senza preoccuparsi di contratti o piani di dati unici per ogni dispositivo. L'ampiezza dei messaggi è limitata a 12 byte e i dispositivi possono effettuare solo 140 trasmissioni al giorno, ma due batterie AA sono sufficienti per far funzionare i dispositivi per diversi anni. La sicurezza è in quale modo limitata a causa della grandezza dei messaggi, ma le funzioni includono l'anti-replay e le sequenze di messaggi. I dispositivi SigFox si trovano già in ampie distribuzioni e TI offre diverse soluzioni SigFox doppie nei dispositivi CC112x RF Transceiver e CC1190 RF front end. Il CC112x è un ricetrasmettitore a chip singolo, con potenza bassissima e alte performance che supporta sette bande ISM/SRD tra i 169 e i 950 MHz, con velocità dati fino a 200 kbps. Offre anche migliori funzioni di wake-on-radio, riconoscimento di pacchetto e ritrasmissione. Il CC1190 è un'estremità frontale RF a basso costo che funziona tra gli 850 e i 950 MHz e offre un amplificatore a basso rumore integrato, un amplificatore di potenza, interruttori RF e accoppiamento RF in un design QFN-16 compatto di 4x4 mm.
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LoRa Low Power WAN Alliance offre un'altra soluzione per i dispositivi ad ampia distanza geografica. Trasmette piccole quantità di dati su base intermittente e i dispositivi alimentati a batteria possono durare per anni, a seconda della classe del dispositivo e del ricetrasmettitore remoto. Per assicurare privacy e integrità dei dati, sono utilizzati livelli di sicurezza multipli. Funziona anche su frequenze che costituiscono spesso una scelta migliore per la penetrazione di ostacoli ed edifici. Come per SigFox, i costi di distribuzione sono molto bassi, ma i provider LoRa commerciali offrono un'ampia gamma di livelli di servizio. Per le aziende che vogliano distribuire un ampio numero di dispositivi in un'area relativamente piccola, è possibile predisporre un gateway controllato e di proprietà interna.
La connettività cellulare è una soluzione WAN molto diffusa e con copertura globale. I collegamenti GSM 2G e GPRS sono tra le fonti più comuni, ma molti operatori di reti cellulari fuori dall'Europa hanno eliminato le proprie reti 2G o hanno intenzione di farlo prima del 2020. Dove le reti verranno mantenute attive, il GSM 2G rimarrà un metodo a basso consumo ed efficace per le comunicazioni a bassa intensità di dati o intermittenti. Anche WiMAX è stata bene accolta nei mercati in cui è disponibile, ma molte reti sono in fase di transizione verso LTE o sono già state spente. La LTE costituisce un'area interessante per i dispositivi IoT, dato che categorie diverse di dispositivi finali possono adattare l'ampiezza di banda e le necessità di potenza all'applicazione. I dispositivi LTE di Categoria 3 già esistenti possono offrire velocità teorica fino a 150 Mbps in download e 50 Mbps in upload, mentre i dispositivi di Categoria 6 di nuova implementazione possono raggiungere i 300 Mbps. All'altra estremità dello spettro, i dispositivi di Categoria 1 LTE e della Categoria 0 LTE (o Categoria M) di prossimo rilascio sono progettati per l'IoT con una velocità di elaborazione massima di 1-10 Mbps e un'efficienza energetica molto maggiore. Nonostante tali soluzioni WAN siano molto flessibili, hanno generalmente costi operazionali e iniziali molto maggiori; ogni dispositivo introdotto sul campo, inoltre, necessita di un contratto con gli operatori di rete regionali, quindi la distribuzione richiede pianificazione e tempo.
Che si tratti di uno scenario WAN distribuito o di una connessione radio a portata corta, TI ha reso semplice soddisfare una serie di esigenze di connettività, offrendo dispositivi drop-in che accelerano lo sviluppo di prodotto e offrono soluzioni a basso costo e alto valore per le comunicazioni industriali wireless.
