Sistemi di controllo industriale

Un sistema di controllo industriale (ICS) include sistemi di controllo, supervisione e acquisizione dati (SCADA), sistemi di controllo distribuiti (DCS) e altre configurazioni di sistemi di controllo compatte, come i controllori a logica programmabile (PLC), dispositivi elettronici intelligenti (IED), unità terminale remote (RTU) e altri dispositivi di campo. Un ICS aumenta le prestazioni, la sicurezza e l'affidabilità attraverso un controllo e monitoraggio continui di ogni processo industriale e un ridotto sforzo manuale.

I sistemi di controllo semplici sono montati su pannello e distribuiti su piccoli controller discreti, consentendo la visione diretta del pannello anteriore e permettendo all’operatore di intervenire manualmente se necessario. In origine si trattava di controller pneumatici ma ora sono quasi tutti elettronici. Le reti di questi controller elettronici comunicano utilizzando protocolli standard del settore per creare sistemi complessi. Il networking consente l’uso di interfacce operatore SCADA remote o locali e consente di collegare in cascata e interbloccare i controller.

I DCS sono sistemi di controllo dei processi digitali che utilizzano processori prodotti su misura come controller e protocolli standard oppure interconnessioni proprietarie per la comunicazione. Questo processo coinvolge moduli di connessione sul campo e funzioni controller da distribuire in tutto il sistema con un controllo centralizzato, che offre una gestione e una panoramica di supervisione sui grandi processi industriali.

SCADA è un'architettura di sistema di controllo, utilizza computer, interfacce utenti grafiche (GUI) e comunicazioni dati di rete per eseguire una gestione di supervisione di alto livello. Il sistema SCADA amministra le interfacce operatore che monitorano ed emettono i comandi di processo. I moduli di rete collegati ad altri dispositivi periferici come controller PID discreti e controller a logica programmabile eseguono i calcoli logici e il controllo in tempo reale. Tali controller si interfacciano con il macchinario.

I PLC sono dispositivi modulari compatti con più ingressi e uscite (I/O) in un alloggiamento incorporato con il processore. La gamma può arrivare fino ai grandi dispositivi modulari montati su rack in cui migliaia di I/O sono collegati in rete a sistemi SCADA. I controllori a logica programmabile (PLC) all’interno degli ICS fungono da ponte utile tra il mondo fisico e quello cibernetico. I ruoli fondamentali svolti da ICS e PLC li hanno resi due obiettivi di sofisticati attacchi informatici. Tali attacchi hanno lo scopo di disturbarne il funzionamento, creando così disordini sociali e perdite finanziarie.

Sono numerosi i protocolli di comunicazione che trovano utilizzo in vari ambienti ICS. La maggior parte dei protocolli sono progettati per finalità specifiche come l’automazione dei processi, l’automazione degli edifici e l’automazione dei sistemi di alimentazione. Il protocollo di ICS generalmente comprendono PROFIBUS (Process Field Bus), Reti di controllo e automazione degli edifici (BACnet), Protocollo di rete distribuita (DNP3), Modbus, protocollo OPC (Open Platform Communication), Ethernet per tecnologia di automazione dei controlli (EtherCAT) e protocollo industriale comune (CIP).

Ora parliamo di come portare tutto online. La quarta rivoluzione industriale (Industria 4.0) - un termine creato su misura per i sistemi ciberfisici come l’Internet dei servizi e l’Internet delle cose (IoT) - ha iniziato ad avere sempre più risonanza tra i produttori di apparecchiature originali (OEM), proprietari di asset e integratori di sistemi. Il futuro prossimo vedrà una fetta delle informazioni ICS dirottate verso applicazioni sofisticate in tutte le aziende attraverso un’ampia rete in cui la sicurezza tramite segretezza non fornisce più una protezione efficace. Gli ICS sono connessi a internet per progetti come griglie smart e smart city, amplificando così i rischi provenienti da eventuali malintenzionati.

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Interfacce di ingresso/uscita

L’interfaccia di ingresso/uscita o I/O costituisce l'interazione tra un dispositivo di elaborazione centrale, come un PLC, e i dispositivi di ingresso e di uscita. Gli ingressi sono i segnali o i dati che il sistema di elaborazione riceve da un dispositivo di ingresso digitale quale un interruttore, un relè o un contattore, e da segnali in ingresso analogici trasmessi da vari sensori che indicano lo stato dei parametri fisici, quali temperatura, pressione, ecc. Le uscite sono i segnali o i dati inviati dal sistema di elaborazione ai dispositivi di uscita digitale quali un indicatore, una spia, un allarme, un relè o un contattore, e ai dispositivi di uscita analogica quali motori, valvole, controller proporzionali ecc.

Ciascun modulo I/O contiene fino a 32 canali abilitati per tensioni specifiche e attributi di corrente e può avere una base su rack, essere distribuita o standalone, oppure espansibile. Tradizionalmente, i terminali con morsetto a vite componevano le connessioni cablate, anche se molti utenti ora stanno passando ai terminali con morsetto a molla che hanno più resistenza alle vibrazioni e sono più semplici da collegare.

Alcuni moduli I/O sono corredati di caratteristiche specifiche, tra cui frequenza (Hz), resistenza (ohm) o tensione (mVs). Il rilevatore di temperatura del circuito (ICTD), la termocoppia (TC) e il rilevatore di temperatura della resistenza (RTD) sono versioni di intelligenza artificiale (AI) specializzate, in quanto vengono utilizzate di frequenza per offrire elevata densità di ingresso. Tutti i canali in un modulo sono solitamente simili in un formato base, tuttavia alcuni dei sistemi più nuovi offrono un mix di tutte e quattro le tipologie base dei moduli che ospitano ingressi e uscite discreti.

Alcuni fornitori di sistemi I/O offrono moduli I/O multifunzionali che ricevono segnali collegati sui punti terminali corrispondenti e utilizzare una configurazione software-centrica per creare attributi specifici per ciascuno.

I sistemi I/O moderni utilizzano protocolli Ethernet aperti. Alcuni di questi sistemi I/O sono in grado di sfruttare la tecnologia PoE (Power over Ethernet) per operare I/O remoti e loop di potenza. I sistemi I/O hanno configurazioni basate su software in quanto è importante regolare il monitor I/O per monitorare o controllare i collegamenti di comunicazione dei sistemi. A volte è necessario un adattatore di comunicazioni per convalidare i moduli I/O per conversare con un sistema di supervisione.

Dato che l’Ethernet standard può essere utilizzato per collegare in rete i moderni sistemi I/O e non è limitato alle comunicazioni master-slave, sono disponibili nuove possibilità architettoniche per colmare il divario tra i tradizionali sistemi cablati e quelli smart wireless, e tra l’IIoT I/O. Questi sistemi possono accoppiare il controllo I/O con tecnologie IT integrate per convertire gli slave remoti in nodi di dati distribuiti. Anche con la quasi ubiquità delle apparecchiature di campo intelligenti e i dispositivi IIoT, esiste una continua richiesta di installazioni nuove e legacy per supervisionare e comandare i punti I/O cablati convenzionali. Nei sistemi più vecchi, sarebbero connessi a un sistema I/O comandato da un controller. I sistemi I/O più nuovi forniscono funzionalità flessibili per agevolare la progettazione, installazione e manutenzione, facendo risparmiare tempo e denaro.

L’ultima generazione di sistemi I/O si spinge oltre i limiti, offrendo una maggiore connettività tramite reti Ethernet a peer, altri dispositivi e sistemi software, senza essere legato a un singolo master. Questo nuovo I/O consente di creare sistemi di automazione del tutto predisposti per l’IIoT.

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Standard

La connettività industriale è di vitale importanza per l’integrazione seamless dei dispositivi. Il controllo e l’automazione industriale dipendono strettamente da cavi e connettori per il trasferimento di dati, potenza e comandi tra le macchine industriali, all’interno dello stabilimento, del cloud e dell’IT. Gli ambienti industriali comportano esigenze progettuali robuste, durevoli e dalla connettività ad alte prestazioni. Devono essere resistenti agli oli, tollerare le alte temperature e funzionare senza problemi nella catena produttiva.

Il cablaggio è fondamentale per l’automazione industriale. Il cablaggio del protocollo di comunicazione in un ambiente di controllo industriale comporta esigenze particolari. Gli armadi elettrici hanno bisogno di connettori industriali, cavo di allaccio, guida DIN, morsettiere e gestione dei cavi. Sensori e solenoidi richiedono M8, gruppi DIN quadrati o M12, accompagnati da centri di distribuzione. I gruppi RJ45 e M12-8 sono sempre più diffusi in officina dopo l'adozione su vasta scala delle comunicazioni Ethernet. Anche le applicazioni wireless hanno bisogno dei cavi per la cessazione.

Un tipico cavo ha un conduttore, schermatura, isolamento e una guaina esterna. Le due principali varianti di cavi per gli ambienti industriali sono i cavi a doppino ritorto (UTP) e i cavi a doppino ritorto schermati (STP). Un cavo schermato consente una trasmissione omogenea del segnale e la schermatura protegge il cavo da interferenze di frequenza radio e di potenza, ma ha un costo più elevato rispetto ai cavi non schermati.

I tubi termorestringenti proteggono i cavi dagli agenti chimici e dal variare delle condizioni climatiche. Grazie alla sua versatilità, il prodotto è anche adatto alla codifica per colori, come antistrappo e per raggruppare i cavi. Inoltre, trova impiego come antistrappo per evitare rotture, per la transizione da connettore a cavo e come tenuta per il connettore terminale. Le proprietà termorestringenti vengono anche utilizzate come protezione per cavi o fili raggruppati liberamente.

I connettori industriali sono fondamentali in molteplici applicazioni, tra cui gli ambienti di stabilimento, i macchinari, il settore minerario, l’esplorazione geofisica, la generazione/distribuzione di energia elettrica, le attrezzature per l’allevamento e molto di più. I connettori per impieghi gravosi sono una soluzione configurabile e versatile. Forniscono la massima protezione IP 69k, 216 contatti e sono adatti all’uso in ambienti ostili. La portata attuale va da 10 A a 200 A. Il sistema di connettori M8/M12 offre connettori completi, moduli IO e gruppi di cavi.

La gamma di prodotti HDC (connettori per impieghi gravosi) modulari sono altamente configurabili e robusti, quindi ideali per applicazioni di robotica e automazione. Tale configurazione combina la potenza con tecnologie di interfaccia consolidate. I coperchi e gli alloggiamenti forniscono la possibilità di orientare i cavi in verticale e ad angolo retto e da IP65 a IP69k.

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Comunicazione

I sistemi di comunicazione industriali sono la spina dorsale di qualunque architettura di sistemi per l’automazione. Offrono una solida procedura di scambio dati, flessibilità e controllabilità dei dati per connettere numerosi dispositivi, oltre che gestire l’integrità dei dati e il controllo in tempo reale in ambienti difficili su grandi impianti. Ne consegue che le reti industriali hanno introdotto l’implementazione di abbondanti protocolli di comunicazione tra i controller digitali, numerosi strumenti software legati all’automazione, dispositivi in campo e anche sistemi esterni.

Un protocollo di comunicazione descrive le regole e i formati di messaggio digitale necessari per scambiare messaggi tra dispositivi. Questi scambi avvengono utilizzando il wireless o i canali di comunicazione cablata e sono parti integranti di qualunque sistema di automazione complesso. I sistemi automatizzati più moderni utilizzano reti di comunicazione condivise digitali con diversi tipi di protocolli, come RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, controllo CAN, Ethernet/IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus™ TCP/IP, e non solo.

Sensori, controller vari (PLC, HMI, DCS) e attuatori sono i dispositivi a campo più basso nell'automazione industriale. I sensori trasmettono informazioni di diagnostica e i controller calcolano tali segnali di controllo condizionali e li trasmettono agli attuatori. I controller industriali, come i PLC, i sistemi informatici e le unità di controllo distribuite costituiscono il livello di controllo e gestiscono le attività come la configurazione dei dispositivi di automazione, il caricamento di tutti i dati delle variabili di elaborazione e i dati di programma, la supervisione del controllo, la regolazione delle variabili impostate e l'archiviazione della cronologia.

L’Ethernet è un tipo di tecnologia di rete basata sulla proposizione “master-slave”. Una rete cablata viene installata in una zona all’interno di un edificio. La rete di livello di controllo costituita da Ethernet industriale con protocollo TCP/IP collega le unità di controllo con i computer.

Le reti LAN (Local Area Network) trovano ampio utilizzo come reti di comunicazione per realizzare le caratteristiche desiderate. I dati Ethernet collegano i livelli all’interno della rete. Funziona in modo simile a uno strato fisico e determina i tipi di connettore, i segnali elettrici e la velocità di trasferimento dei segnali.

Le reti Ethernet WAN (Wide Area Network) trovano utilizzo solitamente nella pianificazione industriale e nella gestione dello scambio di informazioni. Le WAN Ethernet utilizzano il gateway industriale per funzionare come reti di livello informativo. Le tecnologie di comunicazione wireless sono ideali per soluzioni di automazione efficienti e flessibili e aggira gli svantaggi delle reti cablate e le connessioni cablate associate. Sono molti i metodi di comunicazione considerate basate sull’intervallo tra i punti di trasmissione e quelli di ricezione. Ad esempio, GSM o CDMA optano per distanze maggiori, Bluetooth, Wireless HART, Zigbee e Wi-Fi per quelle minori. La Wi-Fi offre un’alta ampiezza di banda e si integra senza sforzo nelle reti IP (Internet Protocol). Il Bluetooth abbraccia un ampio ventaglio di esigenze di throughput e consumo di energia. La tecnologia Bluetooth a bassa energia offre la capacità di posizionamento al chiuso grazie a solidi raggi alimentati a batteria in grado di funzionare da diversi mesi a un anno.

Una rete 5G è una risorsa chiave nell’infrastruttura di automazione industriale con il settore manifatturiero che già prevede di procedere verso l’organizzazione distribuita della produzione, con beni connessi (prodotti in grado di comunicare), processi a bassa energia, robot collaborativi e logistica produttiva integrata. Un sistema di entità per utenti finali risiede al vertice della struttura di rete, utilizzando servizi di comunicazione end-to-end agevolati dalla rete 5G. Tale rete offre una comunicazione orizzontale all’interno e attraverso una struttura verticale.

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Alimentazione

Le reti di alimentazione industriale garantiscono una tensione di alimentazione da 24 V CC fissa altamente disponibile entro limiti specificati. La tensione di uscita è generata da diverse sorgenti di alimentazione, tra cui reti CA e CC, alimentazione monofase e trifase fino a 500 V CA.

Per far funzionare un macchinario industriale sono necessarie diverse fonti di alimentazione, solitamente per convertire l’alta tensione CA in bassa tensione CC al fine di alimentare i controllori a logica programmabile, I/O e dispositivi HMI. La differenza tra l’alimentazione elettrica utilizzata nell’ambiente civile e l’uso industriale è dato da applicazioni mission-critical in siti di produzione di Classe 1 Div 2 (ambienti potenzialmente esplosivi), oppure addirittura a temperature estreme che vanno da -40°C a +70°C.

Gli alimentatori con modalità di commutazione (SMPS) e gli alimentatori lineari sono due dei metodi principali di controllare le alimentazioni elettriche CC regolate. Gli SMPS leggeri, compatti e altamente efficienti sono caratterizzati da fattori di forma più piccoli e da una connessione in parallelo diretta attraverso MOSFET ORing. Cambiano potenza CA in ingresso in potenza ad alta frequenza utilizzando la commutazione ad alta velocità dei semiconduttori. Un SMPS fornisce funzionalità migliorate per aumentare l’affidabilità della macchina, la sicurezza elettrica e la ridondanza parallela per componenti e sistemi ausiliari. Oltre a tali fattori, gli alimentatori industriali sono in grado di affrontare la sfida del futuro relativa alle capacità richieste per l’infrastruttura di digitalizzazione industriale in fase di evoluzione della smart factory e delle iniziative di Industria 4.0.

Gli alimentatori CA-CC e i convertitori CC-CC sono disponibili in molteplici formati con varie dimensioni, capacità e forme, solo per citarne alcuni. Le applicazioni finali potrebbero necessitare di una combinazione di CA/CC e CC/CC o convertitori con punto di carico non isolato per supportare diverse esigenze di alimentazione, impianto elettrico e isolamento di sottosistemi come l’elettronica di controllo, caricamento delle batterie e porte di comunicazione.

Gli alimentatori CA e i convertitori CC/CC sono integrati nell’open frame dell'apparecchiatura, montati su PCB, montati su telaio o in formati chiusi o raffreddati su basamento, oppure progettati per adattarsi ad applicazioni specifiche. Sviluppi quali le topologie risonanti ZVS (Zero Voltage Switching) e ZCS (Zero Current Switching) e i metodi di rettifica sincroni offrono una dissipazione del calore ridotta e una più elevata efficienza di conversione.

La scelta dell'alimentazione deve prendere in considerazione numerosi fattori, come i requisiti di dimensioni, la sovracorrente integrata, la protezione da cortocircuito e sovratemperatura e la correzione del fattore di potenza per il funzionamento in ambienti pericolosi. I connettori di alimentazione industriale sono progettati per fornire una potenza sicura e affidabile alle apparecchiature in ambienti estremi e difficili. Sono disponibili diversi modelli di alimentazione conformi con gli standard UL, CSA e VDE oppure standard EN.

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Protezione e sicurezza

Il circuito di protezione è una parte indispensabile di qualsiasi impianto industriale. È fondamentale per conformarsi alle norme nazionali e per proteggere l'attrezzatura, i processi e le persone da sovratensioni che potrebbero provocare danni e problemi di sicurezza.

Dispositivi di protezione affidabili mantengono e monitorano gli ambienti dei sistemi senza intralciare il normale funzionamento. I circuiti di protezione integrati offrono soluzioni ad alte prestazioni, solide e facilmente implementabili, in grado di rispondere rapidamente in caso di pericolo (nel caso in cui si verificasse). Tali circuiti sono compatti ed efficienti dal punto di vista energetico e assicurano un funzionamento stabile per un lungo periodo di tempo, diventando preziosissimi nelle applicazioni industriali.

La sovracorrente o le eventuali condizioni anomale, possono risultare gravi. Le conseguenze includono guasto dell’isolamento del conduttore, danni all'apparecchiatura, incendio, lesioni personali, folgorazione e perdita di beni materiali. Un’apparecchiatura subisce una condizione di sovraccarico quando funziona al di sopra del suo carico nominale o quando un conduttore funziona a un amperaggio superiore al dovuto. Un sovraccarico continuo può provocare un accumulo di calore termico pericolosamente alto in conduttori e carichi di circuito. I disgiuntori vengono utilizzati come garanzia da tali condizioni di pericolo.

Un cortocircuito è una condizione di sovracorrente in cui la corrente supera il valore nominale a pieno carico del circuito e si verifica in un lasso di tempo relativamente breve. Questo tipo di condizione di guasto è una conseguenza della corrente che devia dal proprio percorso.

I fusibili fungono da collegamento volutamente debole all’interno di un circuito elettrico o elettronico. Questi dispositivi sensibili alla corrente offrono una protezione affidabile per quei circuiti che si trovano in condizioni di sovraccarico o sovracorrente. La corrente che viaggia all’interno di un elemento fusibile in condizioni normali lo fa mantenendosi entro una corrente nominale pari o inferiore alla sua. In caso di un eventuale condizione di guasto, la corrente che attraversa il fusibile aumenta rapidamente e apre il circuito.

I dispositivi di protezione da sovracorrente a coefficiente di temperatura positivo (PTC) rispondono rapidamente a un aumento di temperatura. In condizioni normali, ha una resistenza minima e quindi un basso impatto nominale su un circuito. Un dispositivo PTC, in condizione di sovracorrente, passerà dal suo stato generale di bassa resistenza a uno stato di alta resistenza, ma poi, successivamente allo stato di sovracorrente, il dispositivo “riprende” la normalità, ovvero uno stato di bassa resistenza.

Il principale motivo di guasti ai dispositivi elettrici sono le sovracorrenti transitorie. Una sovracorrente transitoria è un improvviso aumento del flusso di alimentazione. Le sovracorrenti transitorie derivano da molte fonti, delle quali la più comune è quella interna, come la commutazione di carico e addirittura le normali operazioni dell'apparecchiatura. Un dispositivo di protezione da sovracorrente (SPD) è cablata in parallelo all'apparecchiatura che protegge, così che durante un aumento improvviso di tensione ne riduce l’impedenza nel giro di pochi nanosecondi e, di conseguenza, la corrente d’impulso viene deviata.

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