I grandi stabilimenti industriali sono ambienti di comunicazione complessi. Un sistema di comunicazione industriale ben progettato collega in modo affidabile voce, dati e segnalazioni di sicurezza in ogni area dello stabilimento, anche in presenza di calore, polvere, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche e atmosfere classificate come pericolose.
Gli ingegneri di stabilimento e gli integratori di sistemi considerano sempre più le comunicazioni industriali un’infrastruttura essenziale, non un aspetto secondario. In questo articolo vedremo come si progetta un sistema di comunicazione industriale per la gestione delle emergenze, il controllo dei processi e le attività quotidiane.
Cosa comprende una rete di comunicazione industriale estesa a tutto lo stabilimento
Un sistema di comunicazione industriale esteso a tutto lo stabilimento integra diverse sottoreti, ciascuna dedicata a una funzione specifica, in un’unica architettura coordinata. L’integrazione della telefonia IP PBX, della dorsale in fibra ottica, della diffusione sonora e dei dispositivi di campo tramite un’infrastruttura di rete comune distingue un sistema funzionale da un insieme disorganizzato di strumenti isolati.
Telefoni industriali e punti di chiamata di emergenza
I telefoni industriali costituiscono il principale livello di comunicazione vocale punto-punto sul campo. Nelle zone pericolose sono necessari telefoni antideflagranti con involucri robusti, conformi alle classificazioni ATEX, IECEx o CNEX, a seconda della giurisdizione.
I punti di chiamata di emergenza sono diversi dai telefoni di uso generale. In genere sono dispositivi a funzione singola che, una volta attivati, si collegano direttamente a una sala di controllo o a una postazione di coordinamento e richiedono un’interazione minima da parte dell’utente in situazioni di stress.
- Posizionamento: linee di vista libere e segnaletica ben visibile
- Aree rumorose: cuffie acustiche per facilitarne l’uso
- Funzione: attivazione semplice e rapida quando il tempo è determinante
Una porta di comunicazione in corrispondenza di ogni dispositivo consente ai tecnici sul campo di collegare strumenti di prova o sostituire le cornette senza smontare l’involucro. Per le installazioni all’aperto e sotterranee sono standard gli involucri robusti con grado di protezione IP66 o superiore.
Diffusione sonora, annunci e altoparlanti
Un sistema di diffusione sonora trasmette audio nelle aree di processo, nei magazzini e negli spazi esterni. Nei grandi stabilimenti manifatturieri, il sistema comprende sia la diffusione di annunci generali sia le funzioni di evacuazione vocale di emergenza, spesso necessarie per rispettare le normative sulla sicurezza delle persone.
I rack di amplificazione suddivisi in zone consentono agli operatori di indirizzare gli annunci verso aree specifiche dello stabilimento, anziché trasmettere ogni messaggio ovunque.
- Circuiti di amplificazione dedicati per i percorsi di emergenza
- Alimentazione a batteria per mantenere il sistema operativo durante le interruzioni di corrente
- Segnalazione di supervisione per avvisare gli operatori in caso di guasti alle linee degli altoparlanti
Integrazione di IP PBX, postazioni di coordinamento e sale di controllo
Un IP PBX funge da centrale di commutazione telefonica, instradando le chiamate tra le postazioni sul campo, le sale di controllo, gli edifici amministrativi e le linee esterne. Le moderne piattaforme IP PBX supportano il trunking SIP, che consente l’integrazione con i sistemi telefonici aziendali e i centri di coordinamento remoti tramite una rete TCP/IP standard.
La consolle di coordinamento in una sala di controllo raccoglie le chiamate in arrivo dai telefoni sul campo e dai punti di chiamata di emergenza, offrendo agli operatori un’unica interfaccia per il coordinamento vocale. L’integrazione con i sistemi SCADA e di controllo dei processi permette di registrare le chiamate insieme agli eventi di processo, un aspetto prezioso nelle indagini sugli incidenti.
Un dispositivo gateway gestisce la conversione dei protocolli tra i circuiti telefonici analogici o digitali esistenti e la rete IP. Questo è particolarmente importante nei progetti di ammodernamento in cui l’infrastruttura in rame viene sostituita gradualmente.
Dorsale in fibra ottica e dispositivi edge
Il cablaggio in fibra ottica costituisce la dorsale delle reti di comunicazione della maggior parte dei grandi stabilimenti manifatturieri. Consente di coprire lunghe distanze senza degrado del segnale, è immune alle interferenze elettromagnetiche generate da motori e trasformatori e può trasportare traffico voce e dati sulla stessa infrastruttura fisica.
- Distanza: consente collegamenti lunghi senza degrado del segnale
- Immunità alle EMI: prestazioni stabili vicino a motori, trasformatori e quadri elettrici
- Consolidamento: trasporta voce e dati su un’unica dorsale fisica
I dispositivi edge, come switch gestiti e convertitori multimediali, terminano la dorsale in fibra e forniscono connessioni Ethernet in rame ai gruppi locali di apparecchiature di campo. Un router in ogni sezione principale dello stabilimento gestisce il traffico tra i segmenti di rete. Nelle aree sotterranee o remote, la fibra estende la copertura del sistema dove il rame sarebbe limitato dalla distanza o dalle EMI.
Il cablaggio in fibra ottica elimina i limiti di distanza e le interferenze elettromagnetiche tipici del rame. Entrambi i tipi di fibra (monomodale/multimodale) sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, perciò la fibra è il mezzo preferibile in presenza di carichi elevati di motori o di tensioni alte.
Organizzazione dell’architettura
L’architettura delle comunicazioni di stabilimento segue un modello a livelli che separa i dispositivi sul campo dai sistemi di controllo dei processi e dalle reti aziendali. La disposizione specifica dei livelli e il flusso del traffico tra di essi determinano latenza, affidabilità e manutenibilità lungo tutto il ciclo di vita.
Livelli di rete core, distribuzione ed edge
Percorsi di voce, dati e segnali di sicurezza
Il traffico voce, i dati di processo e i segnali di sicurezza dovrebbero viaggiare su percorsi logicamente separati, anche quando condividono la stessa infrastruttura fisica. La separazione si ottiene tramite tagging VLAN e regole di priorità del traffico applicate a livello di switch gestito.
In alcuni progetti, i circuiti vocali critici per la sicurezza sono mantenuti completamente su cablaggi fisicamente separati, soprattutto negli impianti in cui si applicano norme di sicurezza funzionale come la IEC 61508.
Fattori di progettazione per ambienti difficili e ad alto rischio
Realizzare un sistema di comunicazione affidabile nelle condizioni industriali richiede di andare oltre la progettazione delle reti commerciali standard. Le comunicazioni in tempo reale in aree molto rumorose, ad alta temperatura o classificate come pericolose pongono requisiti specifici a ogni livello dell’architettura.
Copertura, zonizzazione e intelligibilità nelle aree rumorose
Per ottenere una copertura adeguata in un grande stabilimento manifatturiero, occorre innanzitutto effettuare un rilievo acustico. Nelle aree di processo, i livelli di pressione sonora ambientale superano spesso gli 85 dB, rendendo insufficienti i livelli di uscita dei diffusori standard. Nelle sale compressori, negli edifici delle turbine e nelle aree di processo aperte sono in genere necessari diffusori a tromba o array lineari ad alta potenza.
- Eseguire un rilievo acustico per individuare le aree in cui la potenza standard è insufficiente.
- Scegliere i tipi di diffusore (ad es. a tromba o array ad alta potenza) in base alle condizioni rilevate.
- Definire le zone in modo che gli annunci raggiungano le aree appropriate, senza trasmissioni non necessarie in tutto lo stabilimento.
- Verificare l’intelligibilità utilizzando l’indice STI (Speech Transmission Index).
- Monitorare costantemente tramite segnali di supervisione per rilevare i guasti a livello di circuito.
Il monitoraggio in tempo reale dell’integrità delle linee dei diffusori e dello stato degli amplificatori consente agli operatori di individuare i problemi di copertura prima che diventino una criticità per la sicurezza. I segnali di supervisione nella rack degli amplificatori permettono di rilevare i guasti fino al singolo circuito dei diffusori.
Grado di protezione, aree pericolose e posizionamento delle apparecchiature
Le apparecchiature installate all’aperto, nel sottosuolo o in aree soggette a lavaggio richiedono un grado di protezione IP adeguato. IP65 è generalmente il minimo per le apparecchiature industriali da esterno; IP66 o IP67 sono preferibili nei luoghi esposti a getti d’acqua o a immersioni temporanee.
- Conformità per le aree pericolose: ATEX e IECEx definiscono le apparecchiature consentite in base al gruppo di gas e alla classe di temperatura.
- Certificazione corretta: i dispositivi antideflagranti devono essere conformi alla classificazione della zona in cui vengono installati.
- Posizionamento pratico: considerare l’accesso per la manutenzione, la direzione di ingresso dei cavi e la protezione da urti di veicoli o danni dovuti alla movimentazione.
Nel posizionare le apparecchiature occorre considerare l’accesso per la manutenzione, la direzione di ingresso dei cavi e il rischio di danni fisici causati da veicoli o dalla movimentazione dei materiali. Le cabine telefoniche e gli involucri protettivi riducono l’esposizione ad acqua, raggi UV e urti nelle aree in cui non è necessario un involucro completamente antideflagrante.
Ridondanza, disponibilità e tolleranza ai guasti
Nei sistemi di comunicazione critici per la sicurezza, la ridondanza è un requisito di progettazione, non una funzionalità opzionale. I principali scenari di guasto da considerare sono la perdita di alimentazione, il guasto di un singolo percorso cablato e il guasto di un componente hardware.
Doppie alimentazioni con commutazione automatica, gruppi di continuità (UPS) per le unità di controllo e i rack degli amplificatori e reti in fibra ottica con topologia ad anello sono misure di ridondanza standard. Le topologie ad anello che utilizzano protocolli come RSTP o MRP ripristinano la connessione entro 50 millisecondi in caso di interruzione di un singolo cavo, un tempo impercettibile durante una chiamata vocale.
I nodi critici, come il server IP PBX, la console di dispacciamento e il controller del sistema di diffusione sonora, dovrebbero essere installati in coppie ridondanti con commutazione automatica in caso di guasto. Documentare l’obiettivo del tempo di ripristino (RTO) per ciascun sottosistema durante la fase di progettazione consente di adeguare le misure di ridondanza alle esigenze operative.
Gli switch Ethernet industriali gestiti sono progettati per operare in un ampio intervallo di temperature, supportano protocolli di ridondanza come RSTP o MRP e possono essere configurati per la segmentazione VLAN.
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Domande frequenti
In che modo un sistema di comunicazione industriale si collega al sistema di automazione (PLC, sensori e attuatori)?
Nella maggior parte degli stabilimenti, i dispositivi sul campo, come sensori e attuatori, si collegano ai controllori logici programmabili (PLC) a livello di controllo. I PLC scambiano quindi dati di stato e allarmi con un sistema di controllo (come SCADA o una piattaforma di controllo distribuito).
Il livello di comunicazione che collega queste zone è in genere una rete di comunicazione industriale progettata per dare priorità alle comunicazioni in tempo reale, così da garantire la trasmissione prevedibile di allarmi critici e comandi degli operatori anche quando il traffico ordinario aumenta.
È qui che una buona segmentazione e una gestione efficace del traffico diventano fondamentali: proteggono il traffico di controllo e, al tempo stesso, consentono integrazione e visibilità.
Quali protocolli di comunicazione vengono utilizzati più spesso e quando è opportuno usare un gateway?
Raramente gli stabilimenti utilizzano un unico standard end-to-end. È comune trovare sistemi fieldbus meno recenti (ad esempio PROFIBUS) affiancati ai moderni protocolli Ethernet industriali, come PROFINET o EtherCAT. La condivisione dei dati a livello superiore avviene sempre più spesso tramite OPC UA per lo scambio sicuro dei dati.
Quando i dispositivi meno recenti non supportano la stessa interfaccia della rete IP, si utilizza in genere un gateway per collegare diversi protocolli di comunicazione e rendere la modernizzazione graduale anziché destabilizzante.
In che modo l’Industria 4.0 e l’IIoT modificano i requisiti di rete?
Con l’espansione delle iniziative di Industria 4.0, gli stabilimenti aggiungono punti di monitoraggio e inviano più dati alle piattaforme di analisi per la manutenzione predittiva e la produzione intelligente. Questa tendenza, spesso definita Internet industriale delle cose (IIoT), aumenta il volume complessivo dei dati e rende più irregolari i modelli di trasmissione dei dati.
L’obiettivo pratico della progettazione è mantenere alta la disponibilità e un comportamento deterministico per il traffico di controllo e di sicurezza, garantendo al contempo una connettività scalabile per le nuove applicazioni basate sui dati.
