C - RFID, WIRELESS e GPS: Nuovi orizzonti nell`automazione

Piero G. Squizzato
RFID, WIRELESS e GPS: nuovi
orizzonti nell’automazione
Le trasmissioni in radiofrequenza hanno avuto continue evoluzioni nell’ultimo decennio che,
oltre a diffondersi in ogni campo della comunicazione e della multimedialità, stanno
interessando in maniera profonda anche il settore della strumentazione e dell’automazione
per macchinari ed impianti industriali.
I fattori determinanti che ne hanno consentito lo sviluppo e la diffusione sono stati l’aumento delle
intensità dei segnali in radiofrequenza, con elementi di trasmissione e ricezione più discriminanti e la miniaturizzazione sia dei
componenti elettronici sia delle
unità trasmettitrici e ricevitrici. Le
tre tecnologie che più influenzano le applicazioni nello scenario
della strumentazione e dell’automazione, si possono identificare
nelle: Rfid, Wireless e Gps.
I vantaggi primari delle tre soluzioni tecnologiche in esame sono
nell’eliminazione dei conduttori
elettrici per la trasmissione dei
segnali di misura, di comando,
congiunta alla ricerca nella riduzione dell’alimentazione elettrica.
I problemi nel tipo d’informazione
in radiofrequenza sono legati alla
verifica del dato trasmesso e dalla certezza della sua identità per
evitare segnali spuri o intrusioni
indesiderate.
Lo stato dell’arte delle soluzioni
tecnologiche sviluppate, ma sempre in continua evoluzione, presenta tecniche di notevole interesse e già ora con importanti
vantaggi economici, rispetto alle
soluzioni tradizionali. La priorità
attuale è la preparazione tecnica
dei progettisti ed installatori per
Annuario Gisi 2006
l’accettazione delle nuove tecno- e la logistica nelle merci e nei
logie della radiofrequenza, spes- prodotti.
so osteggiate dalla mancanza di
conoscenza specifica e per i no- RFID
tevoli timori di una consistente ri- L’identificazione di merci e produzione del proprio apporto di la- dotti con tecnologia in radiofrevoro nelle realizzazioni impianti- quenza, è da molti anni ricercata
stiche. Le tre soluzioni in esame: dall’industria e dalla distribuzioRfid, Wireless e Gps , pur aven- ne, per la gestione in tempo reale
do in comune le trasmissioni in di produzioni, scorte e logistica
radiofrequenza, presentano soluzioni
applicative complementari e/o integrative nella realizzazione dei sistemi di misura e controllo,
un’analisi di alcune
funzionalità consente di orientare gli
specialisti di strumentazione ed automazione nella scelta
di nuove soluzioni
applicative. I termini
che identificano le
tre soluzioni, sono
acronimi della descrizione completa
in inglese dell’apparecchiatura e dell’applicazione; attualmente i vocaboli sono comunemente
utilizzati nel linguaggio per la telefonia Unità RFID su supporto plastico
mobile, i PC portatili per inserimento su prodotti (Omron Electronics)
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Sistema di lettura scatole con RFID per
trasporto su carrello
(Omron Electronics)
aziendale. La sigla RFID è l’acronimo di “Radio Frequency Identification” e consiste in un chip che
memorizza informazioni. Dieci
anni fa, le prime soluzioni, erano
identificate come transponder,
che oltre al prezzo elevato, presentavano problemi di dimensioni
sia nel microchip, sia nelle antenne di lettura o d’impostazione.
Gradualmente, con la miniaturizzazione dei componenti elettronici, la diffusione con riduzione dei
costi e l’incrementata distanza
operativa, hanno consentito la
realizzazione di unità con prezzi
sempre più vicini a quelli di
un’etichetta stampata. Le applicazioni si stanno diffondendo in
molti settori industriali e per diversi utilizzi anche nei campi della sanità e della farmaceutica,
garantendo la sicurezza operativa per l’identificazione certa dei
prodotti e della loro destinazione.
La miniaturizzazione del RFID va
a risolvere le problematiche dei
piccoli prodotti, dove in un sensore o trasduttore con dimensioni di
pochi millimetri è impossibile imprimere o stampare il modello, il
numero di serie, l’anno di costru20
zione ed altre caratteristiche. La
termosaldatura di un microchip
protetto in una superficie dello
strumento consente di memorizzare tutti i dati necessari anche
per la validità della garanzia, potendo leggere i dati con gli speciali lettori di memorie. Dal punto
di vista della sicurezza dei dati
trasmessi via radio, cioè wireless, la conferma che il messaggio ricevuto, che include il dato
sia affidabile, può essere verificata con richiesta del codice memorizzato nel RFID che convalida la provenienza. I segnali generati dal RFID hanno un raggio
d’azione di pochi metri. E’ possibile l’interfacciamento con moduli
GPS e wireless che ne consentono la trasmissione su lunghe distanze. La logistica è il settore attualmente più sviluppato nell’applicazione dell’identificazione a
distanza, per la lettura del codice
prodotto e per la loro quantità in
modo automatico. I dati sono inseriti nei sistemi computerizzati
gestionali in grado di informare in
tempo reale le movimentazioni.
Da alcuni anni i produttori d’imballaggi di cartone inseriscono
nelle scatole, durante le operazioni finali di taglio e piega, il microchip per l’identificazione a distanza dei dati che saranno memorizzati durante il confezionamento e letti durante le movimentazioni e la distribuzione. Il RFID
può essere definito come “un
metodo d’identificazione” che utilizza le onde radio, cioè un lettore
comunica con un codice, il quale
contiene le informazioni digitali
nel microchip. Le informazioni
sono trasferite ad un sistema gestionale che ne descrive esattamente il contenuto, il prodotto e
la data. C’è stata un’evoluzione
del tipoI, tanto da consentire la
scelta per l’impiego in base alle
relative applicazioni. Il tipo LF
(Low Frequency), ad un costo
superiore e con un buon campo
d’azione, viene utilizzato nei trasporti su camion e container. Il tipo HF (High Frequency), a basso
costo e con un campo d’azione
ridotto, è utilizzato per identificazione di pallet, prodotti cartari e
l’identificazione di prodotti per la
grande distribuzione. Il tipo UHF
(Ultra High Frequency), ad un costo ridotto e campo d’azione au-
Serie di unità RFID per applicazioni industriali e logistiche (Siemens)
Annuario Gisi 2006
mentato, trova utilizzo nei pallet,
container, scatole e tutti i prodotti
di pregio. Inoltre, i RFID sono
identificati per classi, dove la “0”
è del tipo monouso con programmazione in fabbrica, la classe “1”
con lettura e scrittura con funzioni di riscrivibilità, i tipi di classe
“2” per funzionalità complete e
per la doppia sicurezza nei codici. La loro scelta dipende esclusivamente dai costi, poiché anche
le caratteristiche di quelli a basso
costo sono più che soddisfacenti
per una sicura identificazione.
Considerando le ridotte dimensioni (inferiori a 0,5 mm di spessore, 1 mm di larghezza e alcuni
mm di lunghezza), il RFID ha la
capacità di memorizzare informazioni per oltre 30 caratteri alfanumerici. C’è un notevole interesse
sugli sviluppi dei sistemi di lettura, identificati anche come antenne in grado di eseguire letture a
distanze sempre maggiori e con
orientamento guidato. Gli attuali
lettori di codici hanno dimensioni
e capacità di lettura degli identificatori in radiofrequenza, sia in
base allo specifico utilizzo che
per la sicurezza della lettura. Nelle movimentazioni dei prodotti in
magazzino, le antenne possono
avere dimensioni contenute per
trasporti su nastri di grandi dimensioni e per le movimentazioni
su carrelli.
WIRELESS
Le trasmissioni senza fili di segnali ed informazioni sono anche
identificate con il termine inglese
“wireless”, ossia senza il supporto di conduttori elettrici. La tecnologia deriva dalle applicazioni nei
sistemi di telemisura e telecontrollo, per letture e comandi a distanza nelle reti di distribuzione e
verso impianti non presidiati. I sistemi utilizzano ponti radio con
segnali di potenza e canali di traAnnuario Gisi 2006
Unità tranceiver per trasmissione wireless (Phoenix Contact)
smissione, concordati con le autorità della comunicazione delle
aree attraversate. Le novità che
hanno consentito la diffusione
delle nuove soluzioni sono: la
standardizzazione dei segnali, la
miniaturizzazione dei moduli di
trasmissione e ricezione, soluzioni che hanno permesso lo sviluppo di sistemi a costi contenuti. Il
sistema di trasmissione bidirezionale wireless consente di trasmettere senza fili in entrambe le
direzioni due segnali digitali ed
un segnale analogico da 4 - 20
mA. L’utilizzatore può ora disporre, oltre che del sistema unidirezionale, anche di una soluzione
attiva in entrambe le direzioni per
la sicura trasmissione dei segnali
analogici e digitali. Il set è composto di due tranceiver (apparecchiature di trasmissione/ricezione) e due antenne che operano
sulla frequenza ISM a 2,4 GHz.
Questo sistema basato sulla tecnologia FHSS, ha il vantaggio di
tollerare i disturbi al posto di sopprimerli. Il progettista e l’utente
possono contare su di un sistema veloce, semplice, plug and
play che consente di trasmettere
segnali, che in passato potevano
essere acquisiti soltanto con trasmissione su conduttori protetti
se non addirittura in conduit, con
notevoli oneri finanziari e progettazione gravosa. Affiancando
semplicemente al tranceiver dei
moduli d’espansione, per segnali
digitali e analogici, la stazione radio può essere adattata al numero di segnali necessario. Con un
sistema bidirezionale wireless,
composto di moduli standard, si
possono trasmettere decine di
segnali analogici o un centinaio
di segnali digitali. Il sistema di
trasmissione via radio consente
di realizzare connessioni punto21
Gruppo di trasmissione dati GSM e localizzatore GPS (Somefi)
punto, ma anche sistemi a più ricevitori per la ripartizione dei segnali. I tranceiver possono essere utilizzati come ripetitori per la
copertura di distanze di trasmissione maggiori o per aumentare
la qualità del segnale in applicazioni critiche. La vasta gamma di
accessori, dalla protezione contro le sovratensioni all’antenna direzionale, accresce il grado di sicurezza e permette di raggiungere distanze di trasmissione fino a
3 chilometri.
La diffusione dello standard Bluetooth rende ora possibile avvalersi, in totale sicurezza, dei vantaggi di un collegamento radio per la
trasmissione dati rapido ed economico. I convertitori Bluetooth
utilizzati per la trasmissione wireless di dati seriali RS 232, RS
422 e RS 485, sostituiscono così
i cavi in modalità di connessione
punto-punto o multipunto. Inoltre,
ogni convertitore può essere utilizzato come access point per
terminali compatibili, per leggere
tramite notebook o modalità PDA
le condizioni operative o svolgere
le funzioni di diagnostica o parametrizzazione. La protezione
contro l'accesso non autorizzato
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nella banda ISM da 2,4 GHz. La
potenza di trasmissione ammessa di 100 mW consente una copertura fino a 150 m.
La realizzazione di sistemi wireless può porre il problema dell’alimentazione dei convertitori o
tranceiver installati negli impianti
di processo o nei macchinari. La
maggior parte delle applicazioni
finora realizzate hanno risolto
problemi rinviati per l’onerosità
dei collegamenti, ma in tutti i siti
è disponibile l’alimentazione di
motori, pompe o agitatori consentendo di ricavare con opportuni alimentatori una facile fonte
energetica, anche per le basse
potenze richieste dagli strumenti
da collegare.
Il sistema GSM (Global System
for Mobile Communications) sta
producendo ulteriori sviluppi nella
comunicazione wireless, già nella
sua evoluzione 2,5G introdotta
nell’anno 2000 dove è stata ottenuta una buona capacità di trasmissione di dati. La terza generazione (3G), identificata come
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), ha
aperto le porte alle applicazioni
basate su internet. La possibilità
di utilizzare protocolli standard,
consente l’inserimento delle co-
è assicurata da password, da
elenchi di unità con diritto di accesso e da assegnazione logica
fissa di due unità. La semplice
messa in funzione delle unità viene supportata dalla diagnostica
Bluetooth integrata, che consente la visualizzazione della qualità
del segnale nel collegamento radio. La potenza di trasmissione è
inoltre regolabile entro ampi range tramite un software in dotazione, utilizzato per adattare l'estensione della stazione radio secondo le esigenze. Gli apparecchi
possono essere di due tipologie
per il montaggio su guide
EN in quadri
elettrici o per
l'innesto sulla
porta seriale di
un PC portatile.
L’elevata sicurezza e la velocità di trasmissione
dello
standard Bluetooth sono garantite dalla
tecnologia di
salto di fre- Serie di antenne GPS per collegamento a strumenti ed appaquenza FHSS recchiature (Panasonic)
Annuario Gisi 2006
municazioni di dati e comandi del
processo dalla rete gestionale
dell’unità produttiva, ovviamente
con le massime protezioni di sicurezza per evitare ogni intrusione da parte di operatori non autorizzati. Gli sviluppi applicativi sono in continua evoluzione per: teleassistenza, diagnostica, letture
remote, comandi a distanza ed
interventi d’emergenza. Soluzioni
che hanno orientato diverse
aziende del settore impiantistico
per l’automazione industriale, allo
studio di soluzioni in problematiche finora risolte con apparecchiature e sistemi richiedenti notevoli investimenti.
GPS
La localizzazione della posizione
nelle trasmissioni di dati e segnali
con teletrasmissione satellitare è
identificata dalla sigla Gps (Global Positioning System), che gradualmente si sta diffondendo nella strumentazione e nell’automazione industriale nell’industria di
processo e nelle reti di distribuzione. Le trasmissioni satellitari
stanno rivoluzionando il campo
applicativo nelle quali le informazioni viaggiano. Il completo sfruttamento di questa tecnologia
consente di raggiungere un elevato grado di compattezza e di
peso ridotto nelle apparecchiature e nei componenti. Sono da alcuni anni disponibili delle complete gamme di antenne, per rispondere alle richieste di applicazioni che stanno nascendo nei
vari settori industriali, sempre con
dimensioni di pochi mm, pesi minimi fino a soli 35 grammi e costi
ridotti. L’utilizzo dei Gps è iniziato
con applicazioni nella sicurezza
delle trasmissioni, con informazioni guidate in specifiche aree
operative a loro volta localizzate,
con verifica della certezza posizionale del gps. Tutti gli impianti
Annuario Gisi 2006
produttivi hanno personale in e nei carrelli elevatori. La localizcampo per supervisione dei mac- zazione nelle aree aziendali conchinari, interventi di assistenza e sente l’analisi delle lavorazioni e
di manutenzione, verifica all’av- lo stato dei macchinari, la posiviamento dei macchinari con zione se a distanza notevole dal
esame degli strumenti in campo. punto di lavoro, il sistema può
La localizzazione in tempo reale programmare una riduzione delle
di tutti gli operatori negli impianti, velocità operative delle macchine
con visualizzazione nella sala che saranno sincronizzate a regicontrollo su una dettagliata map- me, quando il pezzo da lavorare
pa dello stabilimento o dell’unità è arrivato nell’area operativa. I siproduttiva, si è dimostrato di no- stemi di gestione per i processi
tevole interesse per la comunica- manifatturieri sono configurati
zione ed interventi localizzati, con nuovi programmi, identificati
particolarmente se necessari in come M2M (Machine-to Machine
condizioni d’emergenza o di peri- Communications), in grado di otcolo. La nuova tecnologia gps di- timizzare il ciclo operativo a conventa una reale ed affidabile al- dizione di costi più favorevoli.
ternativa ai precedenti sistemi di Anche la tecnologia di trasmiscomunicazione vocale walkie- sione satellitare è in continua
talkie, in grado di trasmettere la evoluzione. Si presentano nuovi
comunicazione ma non di identifi- schemi e bande di frequenza in
care la posizione di provenienza. grado di consentire sempre magDa alcuni anni gli strumenti di mi- giore precisione ed affidabilità.
sura con trasmissione dati wire- Tra i nuovi ed attuali sistemi di
less sono dotati di Gps per loca- trasmissione e localizzazione salizzare in modo certo la prove- tellitare troviamo il PPS (Military
nienza dei segnali. Tra i vari tipi Precise Positioning Service redisponibili sono da evidenziare i ceivers) ed il SPS (Small civil
contatori volumetrici utilizzati nel- Standard Positioning Service). La
le autobotti per la distribuzione combinazione con le tecnologie
dei carburanti. Le autobotti nel lo- wireless e RFID è in grado di
ro ciclo di consegne forniscono realizzare networks di comunicadiverse stazioni di servizio e/o zione in sicurezza, pur utilizzanutilizzatori. Al termine di ogni do solo le radioonde.
operazione, il
sistema di conteggio del prodotto trasferito
trasmette il valore alla sede
del deposito
confermando la
localizzazione
con un segnale
di posizione dal
Gps. L’utilizzo
dei sistemi Gps
ha trovato molte applicazioni
nelle unità ro- Unità di carico/scarico su autobotti con sistema di trasmissione e
botizzate mobili GPS (Somefi)
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