La Comunicazione Digitale - Dipartimento di Ingegneria industriale

La Comunicazione Digitale
Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bologna
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
Slide 1
DIEM - Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,
Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia
Comunicazione Digitale
Qualche domanda a cui dare risposta
 Perché?
 Come fare?
 A chi interessa?
 Quando conviene?
 Quali vantaggi?
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
Che cos’è la comunicazione digitale
 I bus di campo
 L’evoluzione della comunicazione
 La tecnica
 Dalla misura all’informazione
 Le isole funzionali
 L’impianto sotto controllo
 I vantaggi
 Riepilogo
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
Che cos’è un bus di campo
 Rappresenta la spina dorsale di un sistema di automazione, e consente il
dialogo bidirezionale tra apparecchiature in campo ed i sistemi di controllo
e supervisione.
 Il fieldbus è indispensabile per sfruttare le potenzialità dei sensori e
attuatori intelligenti (p.e.: strumenti di misura; attuatori per valvole e
paratoie; inverter per motori; elettrovalvole) e per consentire la
realizzazione di software ad alto livello.
 E’ aperto: non è proprietario o meglio è standard.
 E’ diffuso: supportato da una grande quantità di costruttori di sistemi e
apparecchiature.
 E’ interoperabile: garantisce la possibilità di collegarvi apparecchiature di
costruttori diversi (anche se concorrenti tra loro).
 E’ conosciuto: molti utenti ed integratori lo usano con soddisfazione.
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
I bus disponibili sul mercato
EN 50295
EN 50254
IEEE 802.3 Fast Ethernet
EN 50170
5 Giugno 2012
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
I bus di campo, per strumentazione, più usati
 Bus di campo aperti
 DeviceNET
 ControlNET
 Modbus
 Bus di campo standard (EN50170 o IEC 61158)
 ControlNET
 Profibus DP/PA/FMS
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2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Fieldbus Foundation
Comunicazione Digitale
L’Evoluzione della comunicazione
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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4 ÷ 20 mA
Fieldbus
ieri & oggi
oggi & domani
Comunicazione Digitale
L’Evoluzione della comunicazione
 IERI
 OGGI
 Misura analogica 4 ÷ 20mA
 Misura digitale
 Strumenti tradizionali
 Strumenti intelligenti
 Unidirezionale
 Bidirezionale
 Un valore, un cavo
 Un cavo, tutte le informazioni
 VANTAGGI
 Precisione
 Elevata quantità di informazioni
 Controllo
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Giugno
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Maggio
Silvio Appoloni
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 Risparmio sull’installazione
Comunicazione Digitale
La tecnica
Configurazioni e tarature direttamente
dalla sala controllo.
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Il sistema di
configurazione
e manutenzione è
sempre in linea,
consente il costante
monitoraggio delle
situazioni anomale
senza disturbare il
trasferimento dei dati
dal campo.
Comunicazione Digitale
La tecnica
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Integrazione diretta
 Integrazione diretta
 In Zona Ex con sicurezza
intrinseca - max 8 dispositivi
per ogni segmento
 In Zona Ex con sicurezza
intrinseca - max 4 dispositivi
per ogni segmento
 Comunicazione ciclica
mediante master
 Comunicazione deterministica
strumento  strumento e
strumento  processo
Comunicazione Digitale
La tecnica
 Qual’è quello giusto?
 La scelta del bus di campo è determinata dall’applicazione
 Analisi dell’impianto
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Giugno
2012 2015
Maggio
 Scelta del bus
Silvio Appoloni
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 Ingegneria
Comunicazione Digitale
Tecnologia per la comunicazione digitale
PROFIBUS
Controller
PROFIBUS-DP
RS485
Coupler/
Link
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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FOUNDATION Fieldbus
PC
PROFIBUS-PA
IEC 61158-2
PC
Host
FF-HSE / ControlNet
FF
Linkin
g
Device
FF
FF-H1
IEC 61158-2
Centralized Master-Slave Structure
Decentralized: Link Activ Scheduler (LAS)
H2 Level: Profibus DP (9600 kb/s... 12 Mb/s)
H2 Level: High speed Ethernet (100 Mbit/s)
H1 Level: Profibus PA (31.25 Kbit/s)
H1 Level: FF (31.25 Kbit/s)
E+H supporta entrambi gli standard
Comunicazione Digitale
La famiglia PROFIBUS
General Purpose
Automation
Factory Automation Process Automation
PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP
Universale
Veloce
-Grande varietà di applicazioni - Plug and play
-Comunicazione Multi-master - Efficiente ed economico
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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PROFIBUS-PA
Specifico per
il processo
- Alimentazione sul bus
- Sicurezza Intrinseca
Device Profiles
Application Profiles
EN 50170 Volume 2
Comunicazione Digitale
Comunicazione trasparente campo/sistema di controllo
Ethernet/TCP/IP
Factory
level
TCP/IP/Ethernet
Area
Controller
Bus Cycle
Time
< 1000 ms
PC
VME
CNC
Cell
Level
Bus Cycle
Time
< 100 ms
Field
Level
Bus Cycle-
5 Giugno 2012 Time
< 10 ms
Silvio Appoloni
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PROFIBUS-FMS
VME
PC
PLC
DCS
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
Comunicazione Digitale
Tecnica di trasmissione - caratteristiche :
 Alta Velocità (H2), RS 485

Trasmissione Asincrona conforme allo std. RS 485

Baud rate selezionabile da 9,6 Kbit/s fino a 12 MBit/s

Cavo schermato e twistato a coppie

max 32 dispositivi per segmento, max. 127 dispositivi in rete

Lunghezze cavi: 12 MBit/s = 100 m; 1,5 MBit/s = 400m; < 187,5 kBit/s = 1000 m

Lunghezza cavi estendibile fino 10 Km con l’uso di repeater

Connettore standard 9 PIN, D-Sub
 Bassa Velocità (H1), IEC 1158-2
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2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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
Trasmissione Sincrona (Manchester coding) a 31,25 kBit/s, impulsi di corrente

Sicurezza intrinseca (opzionale) con alimentazione del dispositivo tramite bus

Cavo schermato e twistato a coppie

Lunghezza bus fino 1900 m per segmento

max. 127 dispositivi, 10-32 per segmento (in funzione della classe di consumo)
Comunicazione Digitale
Profibus: un passo in avanti
5 Giugno 2012
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
Architettura Profibus DP/PA
DP-Master
classe 2
DP-Master
classe 1
Segment coupler
Terminatore
PROFIBUS-DP
Inverter
PROFIBUS-PA
Terminatore
PROFIBUS-DP Slave
Strumenti
da campo
PROFIBUS-PA Slave
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Giugno
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Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
PROFIBUS modo di accesso al Bus
Comunicazione combinata Multi-Master e MasterSlave
Stazioni Attive, interrogano i device
PLC
PC
PLC
PROFIBUS
5 Giugno 2012
Dispositivi Passivi, Dispositivi Slave
Comunicazione Digitale
PROFIBUS-DP definisce tre tipi di dispositivi
 DP-Master di Classe 1 (DPM1)
 Unità centrale di controllo per scambio dati con I/O remoti e
dispositivi di campo (DP-Slaves)
 Molti DPM1 sono, tipicamente PLC, PC, VME
 DP-Master di Classe 2 (DPM2)
 Configurazione, Monitoraggio o Engineering tool per set up
rete o parametrizzazione e monitoraggio DP-Slaves
 DP-Slave
 Periferiche decentrate e dispositivi direttamente interfacciati
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Dispositivi tipici sono Input, Output, Drives, Valvole, Panelli
operatore ... STRUMENTI
Comunicazione Digitale
Configurazione aperta “Plug and Play”
PROFIBUS
tool di configurazione
Data Sheets elettronico
dei dispositivi (GSD-file)
PLC
PROFIBUS-DP
5 Giugno 2012
Silvio Appoloni
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PROFIBUS-PA
Comunicazione Digitale
PROFIBUS per Process Automation
 E’ un’estensione del Protocollo PROFIBUS-DP usa il livello trasmissione IEC
1158-2.
 Sostituisce l’attuale tecnica analogica 4...20 mA.
 Solo due fili per alimentazione e trasmissione dati.
 Collegamento diretto tra i dispositivi di campo e il sistema di controllo via bus
seriale.
 Adatto per installazioni in luoghi pericolosi con soluzioni a Sicurezza Intrinseca.
 Più funzioni e trasmissione dati digitale affidabile.
 Controllo, regolazione e monitoraggio tramite un cavo con semplice coppia di
conduttori twistati e schermati.
 Un unico Tool di configurazione per tutti i dispositivi.
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2012 2015
Maggio
 Il PROFILO strumenti PROFIBUS-PA garantisce l’interoperabilità e
l’intercambiabilità.
Silvio Appoloni
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 Informazioni per la manutenzione e la diagnosi sono sempre disponibili.
Comunicazione Digitale
I Profili di PROFIBUS - PA garantiscono l’interoperabilità
 Definisce i parametri per l’esercizio, l’identificazione, la
manutenzione, la diagnostica ...
 Definisce il significato del dato (temperatura, pressione,
portata).
 Definisce lo stato ed il valore ingegneristico della misura
(mbar, kg, l/s, °C).
 Le function block standard garantiscono l’intercambiabilità.
 Definisce i parametri di comunicazione ed il comportamento
dei dispositivi.
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2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Supporta dispositivi a variabile singole o multiparametro.
 Studiato per applicazioni in industrie chimiche.
Comunicazione Digitale
La gamma dei prodotti PROFIBUS
Drives
AC Drives
Controllers
Software Drivers
PLC/NC/RC
DC Drives
DOS/Windows/NT/95
VME, PC
Workstation
Analog I/O
Network components
Repeaters
Fiber optics
Timer
Cables
Counter
Valves
Bus Monitor
OS2, QNX
Regulators
Ident-Systems
Configuration
VxWorks/PSOS+
Decentralized I/O
Binary I/O
Tools
RT-OS/OS9/VRTX
Engineering
UNIX/VMS
Services
Host Interfaces
Development Support
Implementation Support
Training
VAX computers
VME computers
MMI
Pneumatic Valves
Magnetic Valves
Siti Internet:
http://www.profibus.com
5 Giugno
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http://www.hartcomm.org/
Silvio
Appoloni
http://www.fieldbus.org/
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http://www.modbus.org/
Operator Panels
Text Displays
Instruments
Level
Flow
Pressure
Temperature
Gateways
AS-Interface
Proprietary networks
Comunicazione Digitale
Dalla misura all’informazione
IERI
OGGI
VANTAGGI
• Portata
• Massa
• Volume
• Densità
• Temperatura
• Predeterminatori
• Counter
• Batch
• Prebatch
• N° Tag, N° serie,
versione SW
• Configurazione
• Autodiagnosi
• Condition monitor
• Maggiori
informazioni
Processo
Manutenzione
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Giugno
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Maggio
Silvio Appoloni
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• Info diagnostiche
• Configurazione
• Asset management
Comunicazione Digitale
Le Isole funzionali
5 Giugno 2012
Comunicazione Digitale
L’impianto sotto controllo
 Supervisione
 Controllo
 Manutenzione
 Diagnostica
 Analisi
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
La comunicazione digitale
 L’evoluzione della comunicazione digitale rende disponibili i
seguenti vantaggi:
 Trasmissione di più valori misurati e della diagnostica dei
dispositivi.
 Riduzione dei costi di installazione ed avviamento in confronto
alle tecnologie tradizionali.
 Trasmissione simultanea di più valori delle variabili di processo
e i valori della parametrizzazione dello strumento.
 Protezione degli investimenti grazie all’utilizzo di standard
come PROFIBUS.
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Giugno
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Maggio
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Comunicazione Digitale
Vantaggi: Risparmi nell’acquisto e nell’installazione
Convenzionale
Bus di campo
Process Near Component (PNC)
Process Near Component (PNC)
I/O module
bus coupler Ex [i]
marshalling rack
cabinet
Ex [i]
PS
marshalling rack
junction box
connection elements
 Riduzione dei cablaggi
 Minor numero moduli I/O
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Giugno
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Maggio
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 Barriere Ex non necessarie
PROFIBUS
 Minor numero morsettiere
FOUNDATION Fieldbus
 Riduzione quadri elettrostrumentali
Comunicazione Digitale
Vantaggi: Risparmi nell’acquisto e nell’installazione
Installazione tradizionale (4 … 20mA) 800 I/O
100%
Installazione Profibus da 2.500 I/O
100%
Hardware
Installation
Engineering
22%
27%
50%
12%
Engineering
22%
Installation
23%
Hardware
51%
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Maggio
Silvio Appoloni
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57%
0%
4...20mA
PROFIBUS
Source: NAMUR, AK 3.5 and practical experience
Comunicazione Digitale
Architetture: Controllo+Plant Asset Management+W@M
SCADA
Ethernet
PAM
Fieldbus
Fieldbus
W@M
5 Giugno 2012
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Comunicazione Digitale
Tutte queste aziende fanno parte del consorzio FDT
®
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Maggio
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Comunicazione Digitale
Cos’è lo standard FDT?
 Standard aperto, indipendente, per l’integrazione di
dispositivi di campo in sistemi software, non legati alla
tecnologia e ai protocolli dei sistemi di acquisizione e
controllo.
 Integrazione di un’ampia tipologia di dispositivi di campo
(sensori, valvole, drives, comandi, ecc..) mediante DTM.
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Giugno
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 Modalità di interfaccia operativa uniformata e completa per
essere impiegata in tool di gestione (Asset Management) e
sistemi di controllo.
Comunicazione Digitale
Cos’è un DTM (Device Type Manager)
 Il DTM contiene le
funzionalità di
configurazione,
diagnostica ed altre
funzionalità.
 Analogia di
funzionamento di un
DTM con un driver di
una periferica in
ambiente Windows.
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 I dati sono scambiati
attraverso l’applicazione
FRAME (es. FieldCare
E+H).
FDT
Frame
Applic
ation
DTM
Comunicazione Digitale
Esempio di DTM – diagnostica su posizionatore valvola
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Giugno
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Maggio
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Comunicazione Digitale
Esempio di DTM – analisi comunicazione sul bus
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Giugno
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Maggio
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Comunicazione Digitale
A chi serve un Plant Asset Management
Stazione PAM
HMI
PLC / DCS
Tecnologia
FDT/DTM
Frame
Application
Variabile di processo
Diagnostica
Configurazione
Backup
Documentazione, ecc
5 Giugno 2012
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Operatori di produzione
Operatori di manutenzione
Comunicazione Digitale
Life Cycle Management
 Oggi tutte le aziende si impongono e perseguono obiettivi di
competitività ed efficienza:
 Tempi di risposta rapidi
 Risposte efficaci
 Miglioramento del processo (messa a punto fine)
 Gestione del ciclo di vita del mio impianto o processo al
meglio (tutela del patrimonio aziendale)
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Giugno
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Maggio
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Comunicazione Digitale
W@M - Life Cycle Management
 Le informazioni sono la chiave:
sono sempre aggiornate e
facilmente reperibili?
 Endress+Hauser mette a
disposizione una piattaforma
Internet contenente tutto il
know-how storico e
aggiornato in tempo reale
relativo ai propri strumenti.
 Il database, disponibile on-line
tramite account, integra ed
arricchisce il proprio sistema
locale di Plant Asset
Management.
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Informazione sempre
aggiornata e facilmente
reperibile, in tutte le fasi del
ciclo di vita dello strumento!
Comunicazione Digitale
W@M - Life Cycle Management
 Certificati del produttore
 Calibrazione, Materiali, Sicurezza
 Stato dei dispositivi
 Condizioni di funzionamento, disponibilità , eventi
specifici del fornitore, versioni software
 Storia dei dispositivi
 Attività di manutenzione, Calibrazione e Service
 Documentazione
 Manuali utente, Informazioni tecniche, Istruzioni di
montaggio, Disegni e liste dei ricambi
 Informazioni sulle parti di ricambio
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Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
W@M Portal
PROFIBUS
PROFIBUS
PROFIBUS
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Impianto 1
Impianto 2
Impianto n
Comunicazione Digitale
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
Slide 41
Comunicazione Digitale
Parti di ricambio
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
Slide 42
Comunicazione Digitale
La disponibilità dell’informazione?
Informazione
disponibile
sempre e
dovunque!
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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Comunicazione Digitale
Riepilogo
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Giugno
2012 2015
Maggio
Silvio Appoloni
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 Perché?
 Maggiori prestazioni
 Come fare?
 Standard multivendor
 A chi interessa?
 Tutti
 Quando conviene?
 Sempre
 Quali vantaggi?
 Risparmio economico