Sebbene le sonde analogiche e la tecnologia di raccolta dati abbiano molto da offrire, presentano anche diversi rischi. Modbus è un protocollo di comunicazione digitale in grado di superare numerosi di questi problemi. In questo primo post del blog di una serie di tre riguardanti il protocollo Modbus, introduciamo il protocollo fieldbus consolidato, ne discutiamo i vantaggi e analizziamo come è implementato nei dispositivi Vaisala.

Cos'è il protocollo Modbus?
Modbus è stato sviluppato da Modicon nel 1979 ed è uno dei più vecchi protocolli di bus di campo disponibili. L'intenzione iniziale era quella di creare un protocollo aperto; grazie al successo di questa strategia Modbus è ora visto come un protocollo standard del settore e supportato dalla maggior parte dei marchi di controllori a logica programmabile (PLC) in quanto non richiede licenze o hardware proprietario e l'implementazione di un sistema di controllo è gratutita. I prodotti Vaisala utilizzano Modbus RTU, che è basato sul protocollo RS-232 o RS-485 o Modbus TCP/IP, che utilizza una rete Ethernet. Un potenziale svantaggio di Modbus, specialmente nella comunicazione su linea seriale (RS-485), è che se si dispone di una configurazione multi-vendor che utilizza strumenti di produttori diversi nella stessa rete, potrebbero verificarsi problemi di compatibilità tra le diverse marche. 

Il trasmettitore analogico Indigo201 di Vaisala
La piattaforma Indigo di Vaisala è ampiamente utilizzata in una vasta gamma di applicazioni industriali impegnative. Il prodotto è costituito da un trasmettitore di dati analogico collegato a una sonda intelligente e intercambiabile che misura variabili quali umidità relativa e temperatura, temperatura del punto di rugiada, concentrazione di biossido di carbonio o perossido di idrogeno. Tutte le misurazioni e i calcoli vengono eseguiti digitalmente dalla sonda compatibile con Indigo, che è anche in grado di funzionare come unità autonoma senza trasmettitore. La sonda invia i dati al trasmettitore, che poi li inoltra a un PLC in forma analogica.

Il problema con la trasmissione del segnale analogico
Tipicamente, una sonda di umidità digitale, in questo caso una sonda HMP3 di Vaisala, dispone di due sensori: uno per la misurazione della temperatura, come il sensore PT100, e uno dell'umidità relativa, ad esempio il sensore HUMICAP^® di Vaisala; in realtà, questi sensori misurano rispettivamente le variazioni di resistenza e capacità. La sonda converte i segnali analogici in dati digitali, effettua i calcoli necessari per la temperatura e l'umidità relativa e invia i dati digitali accurati al trasmettitore analogico Indigo201. Il trasmettitore converte quindi nuovamente questo segnale in forma analogica per essere trasmesso tramite cablaggio analogico al PLC, dove viene nuovamente convertito in dati digitali per l'elaborazione e la memorizzazione.

Come ci si potrebbe aspettare, la conversione dei dati digitali in forma analogica nel trasmettitore di dati e poi di nuovo in digitale nel PLC o altro sistema di controllo introdurrà ulteriori fonti di errore. Garantire misurazioni accurate è importante sia dal punto di vista qualitativo che normativo, ed un modo per ridurre al minimo gli errori è utilizzare la comunicazione digitale. È a questo punto che ci si avvale del protocollo Modbus.

I vantaggi di Modbus 
Le stesse sonde utilizzabili con il trasmettitore Indigo201 sono compatibili anche con il protocollo di comunicazione digitale Modbus RTU. Poiché Modbus utilizza la comunicazione digitale, oltre all'umidità relativa e alla temperatura, la sonda può essere utilizzata anche per misurare molti altri parametri, tra cui temperatura del punto di rugiada/punto di gelo, umidità assoluta, rapporto di mescolamento, temperatura del bulbo umido ed entalpia, nonché ulteriori informazioni quali lo stato del dispositivo, il numero di serie e l'hash di sicurezza. Consentire al master Modbus di controllare lo stato dell'hash di sicurezza permette di assicurarsi che il sensore non sia stato manomesso e che la configurazione della sonda non sia stata alterata. È anche possibile collegare più sonde alla stessa rete; con un sistema analogico, ciò richiederebbe una notevole quantità di cavi aggiuntivi e moduli (I/O) da installare nel sistema PLC. Il protocollo Modbus diminuisce anche il rischio di errori dei dati riducendo al minimo le conversioni tra analogico e digitale, rivelandosi un'ottima opzione per la trasmissione di dati digitali.

Il trasmettitore non è solo un convertitore di protocollo da analogico a digitale 
Sebbene le sonde compatibili con Indigo possano essere utilizzate come strumenti di misura autonomi, la migliore usabilità si ottiene spesso insieme ad un trasmettitore che offre un'interfaccia utente locale, un display, diverse opzioni di alimentazione e alcune di esse con i vantaggi della comunicazione digitale. Il trasmettitore Indigo202 fornisce lo stesso Modbus RTU della sonda e la serie di trasmettitori Indigo500 comunicano con il protocollo Modbus TCP/IP. 

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Dall'industria automobilistica alla produzione alimentare e dai prodotti farmaceutici alla produzione di acciaio o prodotti chimici, la misura dell'umidità è un aspetto fondamentale di molti processi industriali. Con potenzialmente centinaia o addirittura migliaia di punti di misura necessari, garantire misure stabili, precise e affidabili è estremamente importante.

Ciò diventa più difficile in ambienti con elevata umidità relativa (oltre il 90% di umidità relativa). In condizioni di elevata umidità relativa, tutti gli oggetti, inclusi i sensori di umidità, potrebbero trovarsi ad una temperatura prossima alla saturazione. In un tale ambiente il gradiente di pressione del vapore non è sufficiente a garantire un'efficace evaporazione dell'acqua liquida dalla superficie del sensore. Il sensore potrebbe quindi rimanere bagnato per diversi minuti o più, provocando un'interruzione prolungata della misurazione anche dopo che l'ambiente non è più saturo.

Sonde e trasmettitori modulari

Per garantire misure stabili e affidabili per ambienti industriali difficili, Vaisala ha creato la serie Indigo500 di trasmettitori modulari top di gamma compatibili con le nostre sonde di misura leader del settore. Sono disponibili soluzioni per tutte le applicazioni di misura industriali e anche all'aperto, comprese le sonde di umidità con la tecnologia della sonda riscaldata Vaisala per misure affidabili ed accurate anche in ambienti con umidità relativa del 100%. La serie Indigo500 supporta anche sonde per temperatura, punto di rugiada, tracce di acqua in olio, biossido di carbonio (CO₂) e perossido di idrogeno vaporizzato (H₂O₂), offrendo agli utenti una grande flessibilità di misurazione. 

Qualunque sia l'applicazione, tutte le sonde Indigo sono estremamente precise ed affidabili con un'eccellente stabilità a lungo termine e consentono di rilevare anche i segnali più deboli, consentendo di prendere decisioni migliori e più tempestive basate su dati accurati. 

Presentazione di Indigo510 

Il primo prodotto della gamma Indigo500 è stato Indigo520, che offre la più ampia gamma di opzioni e funzioni di personalizzazione, incluso il supporto per due sonde. È stato progettato per l'uso in ambienti industriali difficili, con un alloggiamento metallico altamente robusto, testato in casi di riferimento in tutto il mondo. Per i clienti che non richiedono l'intera gamma di funzionalità offerte da Indigo520 e che necessitano solo di una sonda, ora offriamo un'alternativa altrettanto valida. 

Il nuovo Indigo510 si basa sulla stessa piattaforma ed è dotato del medesimo alloggiamento in metallo, software, display e modularità del nostro prodotto di punta Indigo520. Le caratteristiche comprendono il supporto modulare per una singola sonda Vaisala (il che significa che il tipo di sonda può essere cambiato, se necessario), ingresso CC e due uscite analogiche. Mentre la qualità e la capacità di misura leader del settore rimangono le medesime, il set di funzionalità ridotto si traduce in un prezzo più snello. Ciò rende Indigo510 ideale per applicazioni in cui è necessaria una misura precisa ed affidabile per una singola variabile (come l'umidità) anche in condizioni difficili. I clienti Indigo510 beneficeranno anche di aggiornamenti regolari della piattaforma e miglioramenti del software per il loro trasmettitore. 

In combinazione con il software Vaisala Insight, la serie di trasmettitori e sonde Indigo fornisce un solido ecosistema per garantire efficienza energetica, sicurezza e qualità del prodotto finale nelle operazioni.  

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Ulteriori informazioni sui trasmettitori Indigo presenti nel blog: "Ho bisogno di un trasmettitore Indigo o solamente di una sonda Indigo?"

La famiglia Indigo di Vaisala include soluzioni modulari con sonde intercambiabili, trasmettitori intelligenti e il software Indigo Insight per PC. Per quanto riguarda le sonde, sono disponibili più opzioni tra cui scegliere per misurare vari parametri, ovvero umidità, temperatura, punto di rugiada, biossido di carbonio, tracce di acqua in olio e perossido di idrogeno vaporizzato. Le sonde possono essere collegate a tre diversi trasmettitori: Indigo201, Indigo202 e Indigo520. Ma quando è sufficiente una sonda da sola e quando sono invece necessari sia una sonda che un trasmettitore?

Le sonde intelligenti compatibili con i trasmettitori Indigo si basano sulla nostra collaudata tecnologia e includono tutto ciò che serve per effettuare le misurazioni, perché di fatto le sonde sono già di per sé dei trasmettitori. 

Le sonde Indigo sono state progettate per prendere in considerazione gli utenti. Anche i dettagli più piccoli contano: ne sono un esempio i cavi standardizzati e l'indicatore luminoso nel corpo del sensore, che mostra non solo se la sonda è accesa ma anche se il collegamento per la comunicazione funziona. Quando l'indicatore inizia a lampeggiare, significa che i dati sono stati trasmessi correttamente al sistema. Pensiamo all'installazione di più sonde in un ambiente difficile, ad esempio a 6 metri di altezza dal pavimento all'interno di una grande struttura industriale. Come possiamo avere la certezza che funzionino? L'indicatore luminoso nelle sonde compatibili con i trasmettitori Indigo conferma sia il funzionamento della sonda che la corretta trasmissione dei dati. In caso di guasto, l'indicatore luminoso diventa rosso. Questo è uno dei numerosi dettagli che riflettono l'elevata qualità del dispositivo. 

Anche i cavi standardizzati offrono la massima flessibilità. Se serve un cavo più lungo, non è necessario restituire a Vaisala l'intero prodotto, ma basta utilizzare un cavo standard per collegare il trasmettitore e la sonda.

Decidere se utilizzare solo una sonda o una combinazione di sonda e trasmettitore dipende dal tipo di connessioni del sistema di cui si dispone. Si può utilizzare il protocollo seriale Modbus RTU, ad esempio? L'alimentatore è adatto? È necessario l'isolamento galvanico?

In genere, i clienti che potrebbero scegliere di utilizzare una sonda da sola sono spesso OEM (Original Equipment Manufacturer, in italiano Produttore di apparecchiature originali) o aziende che stanno costruendo un sistema integrato con una propria interfaccia utente per l'osservazione dei dati di misurazione. Tutti gli utenti finali possono utilizzare una sonda autonoma se vengono soddisfatti i requisiti tra il collegamento del sistema e l'alimentazione elettrica e se non sono necessarie le funzionalità avanzate fornite dai trasmettitori. Tuttavia, non esistono aree di applicazione o settori specifici in cui l'uso di una sonda indipendente sia particolarmente vantaggioso. A volte le aziende partono convinte di avere bisogno sia di una sonda che di un trasmettitore, ma finiscono per scartare quest'ultimo. Ad esempio, un'azienda farmaceutica ha prima acquistato le sonde compatibili con le soluzioni Indigo insieme ai trasmettitori Indigo201, salvo poi rendersi conto, dopo qualche tempo, che il protocollo Modbus è perfetto per le loro esigenze. Di conseguenza, ha deciso di utilizzare solo le sonde di misurazione Indigo senza i trasmettitori della stessa famiglia. 

Vantaggi dell'uso di un trasmettitore

Sebbene le sonde Indigo possano essere utilizzate come strumenti di misurazione autonomi, l'uso in combinazione con un trasmettitore Indigo è fortemente consigliato. Ad esempio, il display integrato nel trasmettitore è utile quando qualcosa non è chiaro, se ci sono problemi oppure quando si eseguono interventi di manutenzione sul campo. I costi nascosti potrebbero ridursi in modo considerevole. Sempre a titolo esemplificativo, i dati inviati dalle sonde vengono visualizzati sul display del trasmettitore, consentendo agli utenti di capire cosa sta succedendo.  

Prendiamo l'esempio reale di un cliente con sede nel Nord Europa che ha acquistato le sonde Indigo senza trasmettitori per un utente finale nei Caraibi. Le sonde sono state collegate al sistema di automazione dell'utente finale tramite un segnale analogico. È emerso un problema e nonostante i numerosi tentativi effettuati per risolverlo, l'utente finale non è riuscito a individuare la causa all'origine. L'azienda europea ha quindi mandato un tecnico ai Caraibi semplicemente per constatare che il segnale analogico era dimensionato in modo errato e per questo motivo il sistema non rispondeva correttamente a quanto trasmesso dalla sonda. Se l'azienda avesse optato per un trasmettitore con display connesso al sistema, non avrebbe neanche dovuto mandare il tecnico. Acquistare subito il trasmettitore con display, inoltre, sarebbe stato più conveniente. 

Se l'obiettivo è garantire una manutenzione efficiente, non basta disporre di trasmettitori con uscite analogiche e cavi di servizio specifici del produttore o avvalersi di un tecnico che controlla i dispositivi di misurazione uno a uno. In questo caso, i trasmettitori con display sarebbero l'unica scelta intelligente, specialmente nelle grandi strutture industriali in cui potrebbero esserci centinaia di sonde di misurazione. 

La possibilità di visualizzare lo storico dei dati è un altro motivo per cui il trasmettitore è importante. A volte i sistemi di automazione non archiviano i dati per lunghi periodi di tempo o non li archiviano affatto, di conseguenza risulta utile poter memorizzare i dati a livello locale nel trasmettitore. Anche analizzare i dati cronologici dalla vista delle tendenze e ispezionare al contempo le condizioni sul campo è particolarmente comodo. Il registro eventi, infine, è un valido ausilio per esaminare gli errori di processo casuali. 

Non dimentichiamo che i trasmettitori sono anche scatole di giunzione a tenuta stagna. Quelli con morsettiere di cablaggio sono in grado di supportare condizioni estreme, quindi non è necessario aggiungere ulteriori scatole sul campo per l'interconnessione. Tutti i collegamenti possono essere effettuati nell'alloggiamento del trasmettitore. 

Inoltre, i trasmettitori sono provvisti di un isolamento galvanico, essenziale negli ambienti industriali più complessi. L'isolamento galvanico è una tecnica di progettazione che separa i circuiti elettrici in modo da eliminare le correnti indesiderate. I segnali possono passare tra i circuiti isolati galvanicamente, mentre le correnti di picco (ad es. le differenze nel potenziale di massa o le correnti indotte dall'alimentazione AC) vengono bloccate. Senza isolamento galvanico, potrebbero esserci dei disturbi durante la misurazione, con conseguente scarsa precisione dei dati. Nel peggiore dei casi, la mancanza dell'isolamento galvanico potrebbe causare il guasto del dispositivo. Se si utilizzano segnali analogici in ambienti industriali, l'ideale sarebbe sempre impiegare dispositivi con isolamento galvanico. I trasmettitori Indigo ne sono ovviamente provvisti.  

Comunicazione analogica o digitale?

Per quanto riguarda i trasmettitori Indigo, le opzioni sono tre: Indigo201, Indigo202 e Indigo520. I trasmettitori della serie Indigo200 dispongono di tre uscite analogiche. Il modello Indigo520 ne ha invece quattro, di conseguenza può trasmettere più segnali analogici al sistema di automazione. Sebbene alcune sonde compatibili con i trasmettitori Indigo, ad esempio le sonde della serie HPP270 per la misurazione del perossido di idrogeno vaporizzato, abbiano due uscite analogiche, esse sono in grado di misurare più variabili. Per la misurazione di tre, quattro o più variabili, serve un trasmettitore che abbia un maggior numero di uscite analogiche. 

Spesso i messaggi analogici non sono adeguati per le applicazioni industriali moderne: sono infatti necessari trasmettitori più sofisticati per trasmettere dati specifici (ad es. se la misurazione è corretta, se i dati sono affidabili e perché il trasmettitore segna un valore pari a zero). Quando si misura il punto di rugiada, gli utenti devono sapere quando avviene la calibrazione automatica, ovvero quando i dati di calibrazione non sono disponibili o non sono affidabili. I messaggi analogici non sono in grado di mostrarlo. Per quanto riguarda la visualizzazione dello stato della misurazione online/offline nei messaggi analogici, servirebbe un segnale separato per l'ingresso binario e il relè. Questo problema vale solo per i canali analogici. Se si utilizzano collegamenti di sistema numerici come Modbus RTU, Modbus TCP/IP oppure OPC UA, non esistono limitazioni su quanti valori numerici è possibile trasmettere dal dispositivo. 

Le uscite analogiche, all'apparenza semplici, potrebbero in realtà essere più complesse di quel che sembra in quanto il sistema richiede conversioni del segnale. La comunicazione digitale consente invece ai trasmettitori di connettersi direttamente a un sistema di automazione esistente senza aggiungere complessità. Un altro vantaggio della comunicazione digitale è l'eliminazione delle inesattezze nel processo di conversione da analogico a digitale. Inoltre, non occorre calibrare il circuito analogico, aspetto molto importante nei settori produttivi critici come quello farmaceutico. Oltre a calibrare il sensore, gli utenti potrebbero anche dover calibrare il segnale analogico trasmesso al sistema. Nel collegamento numerico, il messaggio è sempre numericamente preciso e non è richiesta la calibrazione per il trasferimento dei dati.

Alta qualità e affidabilità

Il trasmettitore Indigo520 è stato accuratamente testato in condizioni di laboratorio. Secondo la filosofia di Vaisala per l'esecuzione dei test, i dispositivi di misurazione vengono testati sulla base di parametri che vanno oltre quanto richiesto dagli standard. Il trasmettitore viene esposto a vari livelli di temperatura, umidità, nebbia salina, luce UV, shock meccanico e vibrazioni finché non si guasta, fornendo così informazioni affidabili in relazione al grado di tollerabilità del prodotto sul campo. Sulla base di questo approccio, Vaisala garantisce che le specifiche del dispositivo siano state provate e testate, confermandone la validità. 

I trasmettitori Indigo520 con Modbus TCP/IP basato su Ethernet sono la soluzione ideale per le sonde intelligenti compatibili con la gamma Indigo. Le numerose sonde per la misurazione dell'umidità, della temperatura, del punto di rugiada, delle tracce di acqua in olio, del biossido di carbonio e del perossido di idrogeno vaporizzato offerte da Vaisala possono essere utilizzate per varie applicazioni, anche negli ambienti più complessi. Sia le sonde che i trasmettitori Indigo sono resistenti alla corrosione e tollerano molto bene vari ambienti e temperature diverse. Uno degli ambienti più difficili in cui il trasmettitore Indigo520 è stato installato è sicuramente una rete di trasmissione dell'elettricità a Perth, in Australia. Qui il dispositivo è esposto 24 ore su 24, 7 giorni su 7 agli agenti atmosferici, inclusa la luce solare diretta. 

Nelle combinazioni trasmettitore-sonda intelligente, quest'ultima può essere facilmente staccata e inviata a Vaisala per la calibrazione, senza dover rimuovere il trasmettitore. Per ridurre al minimo i tempi di inattività, è possibile collegare al trasmettitore una sonda sostitutiva calibrata in laboratorio.

Considerati tutti questi aspetti, in genere si consiglia di abbinare uno dei trasmettitori della gamma Indigo alle sonde della stessa serie.

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Oppure, leggi come l'uso del trasmettitore Indigo520 ha aiutato uno dei nostri clienti.

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Alcuni dei nostri clienti hanno applicazioni dove è richiesta l'installazione dei trasmettitori di misura all'esterno e la serie Indigo500 di Vaisala con la sua famiglia di sonde intelligenti, è stata appositamente progettata per essere sufficientemente resistente a questo tipo di condizioni complesse e difficili. Ad esempio, per la misura dell'umidità dell'aria di aspirazione di una turbina a gas o dell'aria di combustione dei generatori a diesel, è necessario che i dispositivi di misura siano installati all'esterno. Vi sono anche istallazioni dove la misura all'esterno non è richiesta, ma viene dettata da considerazioni pratiche.

Nella maggior parte delle istallazioni esterne, solitamente i parametri più importanti da misurare sono l'umidità e la temperatura, ma la misura del contenuto di umidità disciolto nell'olio, nelle applicazioni per i trasformatori, è necessariamente un'istallazione esterna. Un'altra istallazione esterna comune è la misura della CO₂ per la ventilazione controllata negli edifici. Questo tipo di applicazione beneficia davvero della capacità dell'Indigo500 di supportare configurazioni multiparametriche in quanto, per esempio, è possibile tenere lo strumento sul tetto dell'edificio e utilizzare un'altra sonda per misurare l'umidità relativa.

Le tre principali sfide dell'uso all'esterno

Gli strumenti per istallazioni esterne, devono essere sufficientemente robusti per resistere a tre sfide principali: un ampio campo di temperature, il clima e le radiazioni solari o UV. La temperatura è uno dei parametri più facili da certificare e l'Indigo500 è stato testato e certificato in una camera climatica per garantire che il dispositivo non solo possa resistere a temperature esterne estreme, ma sia anche in grado di sopportare i ciclici cambiamenti rapidi delle temperature.

La principale sfida meteorologica riguarda l'evitare l'ingresso di acqua nel dispositivo. L'Indigo500 è stato certificato rispondendo ai requisiti dei test di Protezione d'Ingresso (IP), che prevedono l'esposizione dell'unità agli spruzzi d'acqua, garantendone la robustezza dell'intera struttura meccanica. L'acqua può entrare nel dispositivo anche sotto forma di vapore e, nella progettazione, è stato preso in considerazione anche questo aspetto. Un elemento traspirante, posizionato nella parte posteriore della custodia, consente al vapore acqueo di eguagliarsi tra l'interno e l'esterno del dispositivo, evitando la formazione di condensa e le variazioni di pressione all'interno della custodia derivanti dai cambiamenti di temperatura. Tali variazioni di temperatura possono generare una pressione all'interno del dispositivo se questo viene esposto, da caldo, a docce di acqua fredda, aumentando la possibilità di infiltrazione d'acqua al suo interno: questo test viene identificato dagli ingegneri con il nome di "pioggia tropicale".

Per assicurare la protezione dalle radiazioni solari, è stata utilizzata la lega di alluminio in quanto resiste ai raggi UV e non si degrada. Uno speciale trattamento superficiale protegge dall'ossidazione e dalla formazione di ruggine. Tutti questi aspetti sono stati tenuti in considerazione nella progettazione dell'Indigo500 e certificati con i test ambientali durante tutto il processo di ricerca e sviluppo, per assicurarsi che sia in grado di resistere alle esigenze di qualsiasi istallazione esterna. Infine, abbiamo verificato l'Indigo500 direttamente sul campo, all'esterno, nel sud della Finlandia durante gli ultimi due inverni, senza riscontrare alcun tipo di problema, nonostante il clima costantemente umido e piovoso.

Misurazioni precise in interni e all'esterno

Il collegamento dell'Indigo500 ai sistemi di processo, è lo stesso, sia che si tratti di utilizzo in interni, che all'esterno. È possibile monitorare con precisione le misure utilizzando qualsiasi tipologia d'interfaccia disponibile sul dispositivo, tra cui le uscite analogiche, i contatti relè, la porta Ethernet ed il display touch locale.

Sebbene le applicazioni all'esterno non rappresentino l'impiego principale dell'Indigo500, abbiamo seguito rigidi requisiti di progettazione affinché potesse soddisfare gli stessi standard richiesti per i dispositivi dedicati alle istallazioni all'esterno. E naturalmente, se è idoneo per le applicazioni all'esterno, significa che è robusto e affidabile anche per applicazioni all'interno. Ovunque lo si utilizzi, quindi, l'Indigo500 è progettato per durare a lungo, garantendo sempre dati di misura affidabili e precisi.

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