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WirelessHART: Tecnologia radio nell’automazione di processo*

Un'esigenza diventa realtà

Sulla scia del progresso tecnologico del bus di campo, la fase di sviluppo successivo della strumentazione di processo e controllo è rappresentata da soluzioni basate sulla tecnologia radio. Nonostante soluzioni proprietarie siano disponibili da tempo, una soluzione applicativa più standard  non si è ancora diffusa per mancanza di fiducia nella tecnologia radio e per l'assenza di sistemi integrati. La tecnologia radio può essere utilizzata su base più estesa e, ed in caso affermativo, quando?


Innanzitutto è necessario ribadire che per la trasmissione di valori misurati relativi a dati indispensabili per la sicurezza e dati direttamente legati al controllo di processo, il cavo costituisce il miglior metodo disponibile per la trasmissione del segnale. Si dovrebbe dare sempre la preferenza ad una soluzione basata sul cavo piuttosto che ad una soluzione di tecnologia radio per applicazioni di controllo critiche. Tuttavia la tecnologia radio può assumere un ruolo importante se l'impianto è costruito in modo tale che le restanti applicazioni non critiche non giustificano l'installazione di un cavo.   


In quali situazioni è possibile eliminare il cavo?

Soluzioni basate sul cavo non sono necessarie in impianti di piccole dimensioni e in operazioni di logistica che prevedono lo stoccaggio dei materiali intermedi e non prevedono strumentazione in campo e quindi nessun feedback sui livelli di stoccaggio. Le soluzioni basate sul cavo possono essere scartate anche per motivi economici perché esistono ostacoli tra il sistema di controllo ed il processo stesso. Le misure di livello, che vengono generalmente effettuate manualmente, possono essere sostituite facilmente da un metodo di controllo con trasmissione del dato via radio. In questo caso una trasmissione in tempo reale non è necessaria e la mancata trasmissione di un valore di livello per un breve periodo di tempo non interferirà con il funzionamento dell'impianto.

Esistono anche nuove possibilità nell'ambito del monitoraggio ambientale. Una di queste è costituita, per esempio, dalla possibilità di misurare la corrosione mediante CorrTran® MV di Pepperl+Fuchs. La misurazione della corrosione viene effettuata in punti vitali di serbatoi o condotte. Questi punti sono spesso estremamente difficili da raggiungere o distanti dal sistema di controllo. Il dispositivo wireless CorrTran® MV può essere installato ottimizzando l’utilizzo del cablaggio. In questo caso la sicurezza della trasmissione non rientra tra le applicazioni indispensabili e, essendo la corrosione un processo estremamente lento, non presenta aspetti vitali in termini di tempo.

Un'altra possibilità sviluppata recentemente è costituita dal monitoraggio degli elementi operativi azionati in campo quali, ad esempio, le valvole a sfera. In precedenza lo stato di queste valvole veniva verificato mediante controlli visivi effettuati da squadre di controllo. Tuttavia, attraverso la trasmissione wireless della posizione delle valvole a sfera, la sala di controllo dispone in ogni momento dello stato delle valvole stesse. Non sono più necessari controlli ciclici ad opera del personale con lo scopo di confermare l'esatta posizione delle valvole prima dell'avviamento dell'impianto. Ciò non consente solo di risparmiare sui costi della manodopera, bensì anche di velocizzare l'avviamento dell'impianto e di aumentare le quote di produzione. Naturalmente lo stesso vale per tutti gli altri parametri di stato che vengono controllati manualmente quali pressione e temperatura.

La trasmissione radio può essere anche utilizzata per garantire la qualità e per l'ottimizzazione di importanti parametri di processo. Questi parametri, generalmente meno indispensabili per i controlli di processo, vengono spesso monitorati solo temporaneamente, per esempio, nel caso in cui venisse individuato un guasto o in istallazioni d'impianto temporanee che richiedono volumi bassi e cambiamenti frequenti di prodotto.

In queste applicazioni, la tecnologia wireless migliora l'informazione relativa allo stato dell'impianto, al flusso dei materiali e alla sequenza delle fasi di processo. Costituisce una base per l'ottimizzazione delle fasi di processo e del processo stesso, la gestione degli asset e le scelte di manutenzione preventiva. La tecnologia wireless migliora la redditività degli impianti di processo.



L'infrastruttura esistente può essere equipaggiata con WirelessHART


WirelessHART consente di utilizzare meglio nuove applicazioni

Wireless: è già una realtà

Per molti anni vari produttori hanno offerto prodotti in grado di fornire una connessione wireless. Questa soluzione è però costosa se deve essere integrata nella struttura di un impianto già esistente. In alcuni casi le connessioni possono essere realizzate solo tra due punti o solamente per una comunicazione unidirezionale. Inoltre questi prodotti non garantiscono la compatibilità tra i dispositivi di campo dei diversi produttori. Naturalmente vengono offerte soluzioni personalizzate per le esigenze specifiche dell'utente, ma sono relativamente costose. Gli utenti richiedono un sistema radio che:
  • sia conveniente e facile da utilizzare
  • rientri nell'offerta standard di un certo numero di produttori
  • soddisfi le esigenze della tecnologia di processo in termini di affidabilità e portata della trasmissione
Un sistema di questo tipo viene messo ora a disposizione dalla HART Communication Foundation sotto forma di WirelessHART.


    WirelessHART – disponibile ora

    WirelessHART è basato sullo standard HART, che è ampiamente diffuso secondo quanto confermato dalle cifre disponibili che parlano di 20 milioni di dispositivi di campo compatibili HART. Il protocollo HART era stato concepito originariamente come estensione del comune loop di corrente 4...20 mA, al fine di rendere più funzionali i dispositivi di campo.

    Si è giunti ora alla fase successiva nell'evoluzione del protocollo HART. Il WirelessHART Standard, rilasciato nel settembre 2007, è basato direttamente sul protocollo HART, ma non prevede alcun percorso di trasferimento fisico del segnale. Il protocollo HART utilizza una banda di 2.4 GHz - priva di licenza e utilizzata in tutto il mondo - quale mezzo di trasmissione per numerose tecnologie radio, comprese WLAN, Bluetooth e ZigBee. Al fine di evitare collisioni sulla banda di frequenza di 2.4 GHz, WirelessHART esegue una ricerca speciale di canali non utilizzati nell'ambito di questa banda di frequenza e mantiene sotto controllo interferenze reciproche tra le tecnologie radio.


    Evoluzione di una tecnologia

    Il protocollo WirelessHART utilizza una rete “Flat Mesh” su cui tutte le stazioni radio formano una rete in cui ogni stazione partecipante serve simultaneamente sia come sorgente che come ripetitore di segnale. Il trasmettitore che origina la comunicazione radio invia un messaggio a quello più vicino che inoltra tale messaggio e così via sino a quando il messaggio raggiunge la stazione base e il destinatario. In questo modo la rete copre una vasta area. Inoltre, nella fase di inizializzazione, vengono stabiliti percorsi alternativi. Nel caso in cui il messaggio non possa essere trasmesso su un determinato percorso, per esempio, a causa di un ostacolo o di un ricevitore difettoso, il messaggio viene automaticamente spostato su di un percorso alternativo. Oltre ad una copertura di aree più vaste questo sistema aumenta anche l'affidabilità della trasmissione.



    La rete WirelessHART offre una maggior sicurezza di trasmissione attraverso percorsi di trasmissione alternativi e ridondanti.

    Il protocollo WirelessHART è la simbiosi tra l'ormai consolidato ed ampiamente diffuso protocollo HART e la nuova tecnologia radio, tecnologia nuova per quanto riguarda l’automazione di processo. Oltre alle note applicazioni HART per la programmazione dei dispositivi, il protocollo HART è già stato utilizzato ampiamente per compiti di: 

    • Monitoraggio di strumenti e valori ambientali
    • Gestione ed ottimizzazione degli asset
    • Manutenzione preventiva
    • Monitoraggio delle prestazioni
    • Gestione dell'energia

    I requisiti di queste applicazioni in termini di disponibilità, percorsi e velocità di trasmissione si coniugano bene con le capacità prestazionali ottenibili con la tecnologia radio. Inoltre il concetto WirelessHART può essere integrato perfettamente in una infrastruttura già esistente oppure contemporaneamente offrire una soluzione per nuove strutture.


    Semplice teoria o concetti realizzabili?

    Attualmente Pepperl+Fuchs sta sviluppando i seguenti dispositivi:

    Un gateway WirelessHART che gestisce la rete wireless e la connette a un sistema di controllo o SCADA mediante un bus di campo. I segnali dei dispositivi di campo vengono ricevuti e inoltrati sul bus di campo verso il sistema di controllo attraverso il protocollo di comunicazione selezionato.

    Un adattatore WirelessHART che rappresenta l'altra estremità del percorso di comunicazione radio. I dispositivi di campo esistenti possono essere dotati di questo adattatore. Sono previste tre versioni differenti:

    • Adattatori alimentati dal loop o semplicemente collegati a un loop esistente da cui traggono alimentazione per il funzionamento. Il cablaggio esistente viene utilizzato per la trasmissione convenzionale del segnale 4-20 mA; il protocollo HART viene trasmesso wireless attraverso l'adattatore. Si tratta soprattutto di un'alternativa per rendere utilizzabile, con basso rischio, la capacità HART dei dispositivi di campo installati.
    • Adattatori alimentati a batteria che alimentano il dispositivo di campo per mezzo di una batteria. Il dispositivo di campo viene "svegliato" ad intervalli programmabili, viene richiesto il valore misurato e spento nuovamente dopo la trasmissione. È possibile realizzare stazioni di misura autonome. A seconda degli intervalli di tempo selezionati, è possibile ottenere una durata di vita della batteria di diversi anni.
    • Una versione alimentata esternamente, che riceve l'alimentazione necessaria per il dispositivo di campo e per l'adattatore. In molte installazioni una connessione alimentata esternamente è già disponibile in campo, per esempio per alimentare pompe e valvole. Se non è connesso alcun dispositivo di campo, questa versione può anche svolgere la funzione di router, al fine di rendere la rete wireless più fitta o di coprire una distanza maggiore.

    Riepilogo

    La tecnologia radio consente di utilizzare e sfruttare meglio le applicazioni esistenti e di realizzare applicazioni nuove ed economiche che non potevano essere ottenute in precedenza. Il protocollo WirelessHART consente il passaggio da soluzioni wireless proprietarie ad uno standard globale nella tecnologia di processo che consenta l'utilizzo della tecnologia radio senza interruzioni di sistema. Il protocollo WirelessHART aprirà nuove possibilità per migliorare la qualità e il monitoraggio degli impianti al fine di ottenere un’ottimizzazione degli impianti e dei processi. Questa tecnologia fornisce un valido contributo per ottenere un funzionamento economico degli impianti di processo.