Sistemi analogici vs sistemi Fieldbus nell’automazione industriale

I primi impianti industriali si basavano interamente sul funzionamento manuale, in cui ogni fase del processo richiedeva l’intervento umano. Con l’evoluzione dell’automazione, i sistemi pneumatici e meccanici furono gradualmente sostituiti dalla strumentazione elettronica. Questa transizione introdusse intervalli standard per i segnali analogici, come i loop di corrente da 4–20 mA e i segnali in corrente continua da 0–10 V, ancora ampiamente utilizzati oggi nell’automazione industriale.

Panoramica degli standard per i segnali da 4–20 mA e in tensione

Il loop di corrente da 4–20 mA rimane uno degli standard di segnale industriale più comuni per il controllo dei processi. Utilizza un approccio con “zero attivo”, in cui 4 mA rappresentano il valore minimo del processo e 20 mA il valore massimo. Questo design aiuta gli ingegneri a identificare rapidamente guasti come i circuiti aperti, che producono una lettura di corrente pari a zero.

I sistemi basati sulla tensione, come quelli da 0–10 V DC, sono adatti alle applicazioni su brevi distanze. Tuttavia, i segnali in tensione sono più sensibili alla resistenza della linea e alla caduta di tensione, soprattutto su lunghi tratti di cavo. Secondo la legge di Ohm, la tensione diminuisce all’aumentare della resistenza del filo, rendendo i sistemi basati sulla corrente più stabili per le trasmissioni su lunga distanza.

Nella maggior parte dei sistemi di controllo industriale, all’ingresso dei PLC o delle RTU viene utilizzata una resistenza da 250 Ω per convertire il segnale da 4–20 mA in un intervallo di ingresso da 1–5 V per la conversione analogico-digitale.

Figura 1. Cablaggio del loop di corrente da 4–20 mA nei sistemi di controllo industriale.

Vantaggi e limiti dei segnali analogici

I sistemi con segnali analogici offrono semplicità e facilità di diagnosi dei guasti. Gli ingegneri possono misurare direttamente la corrente del loop utilizzando strumenti standard. Il concetto di zero attivo migliora il rilevamento dei guasti, mentre il sistema rimane sicuro per la manutenzione durante il funzionamento.

Tuttavia, i sistemi analogici richiedono un cablaggio dedicato per ogni punto di segnale. Ciò aumenta i costi di installazione e riduce la scalabilità nei sistemi di automazione di grandi dimensioni. Inoltre, non dispongono di funzionalità diagnostiche avanzate e non possono trasmettere dati sullo stato o sulla configurazione dei dispositivi.

Comunicazione Fieldbus nell’automazione industriale

I sistemi Fieldbus introducono la comunicazione digitale tra i dispositivi di campo e i sistemi di controllo. Protocolli come Foundation Fieldbus, HART e PROFIBUS consentono a più dispositivi di condividere un’unica rete di comunicazione. Ciò riduce significativamente la complessità del cablaggio negli impianti industriali, soprattutto nelle moderne piattaforme di controllo come i sistemi ABB 800xA e AC 800M.

A differenza dei sistemi analogici, le reti Fieldbus trasmettono sia i dati di processo sia le informazioni diagnostiche. Ciò consente la configurazione remota, il monitoraggio delle condizioni e la manutenzione predittiva dalla sala di controllo.

Nelle implementazioni tipiche, i dispositivi sono collegati utilizzando una topologia trunk-and-spur. Il trunk funge da dorsale principale di comunicazione, mentre gli spur collegano i singoli strumenti di campo.

Figura 2. Topologia Fieldbus con architettura trunk e spur.

Protocollo HART e comunicazione ibrida

HART (Highway Addressable Remote Transducer) è un protocollo di comunicazione ibrido che sovrappone segnali digitali ai tradizionali loop da 4–20 mA. Utilizza la codifica FSK (Frequency Shift Keying) per trasmettere informazioni digitali senza interferire con i segnali analogici.

La comunicazione HART opera in modalità half-duplex a 1200 bps utilizzando due frequenze: 1200 Hz per la logica “1” e 2200 Hz per la logica “0”. Ciò consente la comunicazione bidirezionale tra i dispositivi di campo e i sistemi di controllo.

Figura 3. Comunicazione HART tra il master e il dispositivo di campo.

Vantaggi dei sistemi Fieldbus e HART

I sistemi Fieldbus e HART offrono vantaggi significativi rispetto ai tradizionali loop analogici. Riducono i requisiti di cablaggio, supportano la configurazione remota e consentono la diagnostica in tempo reale. Queste funzionalità migliorano l’efficienza della manutenzione e supportano strategie di manutenzione predittiva nei moderni impianti industriali.

Tuttavia, i sistemi Fieldbus richiedono una configurazione più complessa e un maggiore impegno iniziale di progettazione rispetto ai sistemi analogici. Nonostante ciò, sono diventati lo standard negli odierni ambienti di automazione dei processi.

Scelta del sistema di segnali industriali

Non esiste un unico sistema di segnali migliore per tutte le applicazioni. Gli impianti industriali utilizzano spesso una combinazione di metodi di comunicazione analogici e digitali in base ai requisiti del processo, alla distanza e alla complessità del sistema. La scelta dipende dall’affidabilità, dai costi e dalle esigenze diagnostiche.

I moderni sistemi di automazione industriale integrano sempre più la comunicazione Fieldbus per migliorare l’efficienza, mantenendo al contempo la compatibilità con la strumentazione analogica esistente.

Informazioni sull’autore

Lin Haibin scrive di sistemi di automazione industriale, inclusi il controllo dei processi, la strumentazione e i protocolli di comunicazione industriale. Si occupa dell’integrazione di sistemi PLC, DCS e Fieldbus nei progetti di automazione internazionali.