I veicoli delle ultime generazioni sono governati quasi interamente da sistemi elettronici. La storia ci ricorda che è stato necessario introdurli per ridurre le emissioni inquinanti dei veicoli, per poi passare lentamente ad integrare sistemi di controllo della frenatura, dell'assetto, della coppia e potenza del motore, fino ad arrivare a sistemi autonomi che mediano le richieste del guidatore per rendere più sicura e confortevole la marcia del veicolo.
Tutto questo è nato nell'auto, ma è passato poi a tutte le categorie di veicoli, anche a quelli agricoli e da lavoro. Quello che però non tutti sanno è che i veicoli normalmente identificati con il termine heavy-duty, ovvero tutte le macchine da lavoro e le macchine agricole, sono governate da sistemi elettronici molto più complessi ed evoluti rispetto a quelli utilizzati nel mondo dell'auto. Il sorpasso è avvenuto non più di 3-4 anni or sono quando sono stati introdotti i sistemi di gestione delle sessioni di lavoro e sistemi automatizzati di controllo degli attrezzi dei veicoli da lavoro. Queste innovazioni, unite ai cosiddetti sistemi di Fleet management hanno sancito la nascita di una nuova classe di macchine in cui il livello di automazione si avvicina ai modelli di automazione industriale. In questo panorama si inserisce la ricerca svolta presso l'Istituto IMAMOTER, che nasce dall'assunto, ormai universalmente condiviso, che la rete CAN, standard per le applicazioni veicolari a tutti i livelli, è arrivato al suo limite di utilizzo. La sempre maggiore necessità di dati distribuiti in rete, il crescente numero di centraline di controllo presenti sulle macchine e, non ultima, la necessità di controlli con stringenti esigenze di real-time, spingono a ricercare un erede delle reti CAN. Nel mondo automotive sono state fatte diverse esperienze, byte flight da BMW, Flexray da un consorzio condiviso dai maggiori produttori di auto e componentistica: ma tutti si sono dimostrati inadeguati. Flexray ad esempio risulta troppo rigido, a dispetto del nome, nella struttura, per poter essere usato su macchine così diverse e complesse come le macchine da lavoro. Ora alcuni gruppi si sono affacciati a Ethernet, forti della sua applicazione nel mondo industriale. Ma Ethernet così come si presenta off the shelf non soddisfa troppi requisiti necessari nel mondo delle macchine, ma avrebbe il vantaggio della immediata integrazione con tutti i sistemi MIS (management information systems) e con i sistemi di comunicazione a lungo raggio over the Internet. Non ultimo, darebbe la possibilità di integrazione con un altro tipo di comunicazione Wireless tra cluster di macchine, per la gestione delle sessioni di lavoro cooperative tra le macchine e, in un prossimo futuro, per il cantiere completamente automatizzato, con le macchine che lavorano in sincrono e collaborano per lavorazioni complesse, il tutto in real time in ambienti anche popolati da esseri umani.
La comunità scientifica internazionale si è attivata nella ricerca per un nuovo tipo di rete ad elevato determinismo, con un throughput elevato, sufficientemente immune ai disturbi e di costo per nodo appropriato per l'ambito di applicazione. Ma nel campo delle applicazioni veicolari, l'unica esperienza completa è stata portata a termine da John Deere, che si è affidata a Ethercat, un protocollo di rete proprietario, di tipo token ring, quindi deterministico, ma che presenta parecchi punti discutibili, non ultimo il fatto di non offrire un analogo wireless.
IMAMOTER con il suo gruppo di ricerca elettronico ha invece intrapreso la strada diametralmente opposta: usare quanto più possibile software open source, portabile e quanto più possibile hardware libero e intercambiabile, per essere multivendor e a basso costo. L'ide principale è stata quella di utilizzare in modo diverso Ethernet e il protocollo TCP/IP per ricavarne un protocollo ad elevato determinismo, che abbiamo definito quasi isocrono, e che fosse in grado di soddisfare le esigenze di real time e di throughput richieste dalla applicazioni di oggi con un orizzonte di almeno 10 - 15 anni. Tale protocollo è stato progettato prima per le reti wireless, per la sincronizzazione di cluster di macchine, anche grazie all'aiuto di un progetto giovani sponsorizzato dal Dipartimento Sistemi di produzione, e poi trasformato in protocollo per reti Ethernet.Dopo due anni e mezzo di lavoro il risultato ottenuto è notevole sia per il caso delle reti wireless che per il caso delle reti Ethernet, poiché abbiamo ottenuto dei protocolli a priorità su reti ad hoc, in grado di garantire un livello di determinismo che, se non assoluto, per limitazioni dovute al canale trasmissivo nel wireless e alle collisioni nel caso delle reti fisiche, è comunque al di sopra dei livelli richiesti dalle applicazioni, e il throughput è parimenti superiore alle specifiche fissate alla partenza del progetto. I grafici mostrano test in campo in cui il protocollo Ethernet basato su messaggi UDP e su code differenziate per priorità, è in grado di scambiare fino a 15 flussi di pacchetti diversi con 50 byte di payload a 16 µs, con una frequenza utle di 62,5 kHz come tempo di esecuzione del task in rete, quando le attuali reti utilizzate hanno come massima ripetizione 10 ms, con una frequenza utile di 100 Hz. Come mostrato in figura, la concentrazione dei pacchetti è tutta sulla corretta deadline temporale richiesta e la dispersione presente è comunque accettabile data la limitata distanza temporale rispetto alla deadline, sempre contenuta entro il 20% di ritardo, e data la varianza molto ridotta.
Parimenti nelle reti wireless, dove lo sfruttamento del canale trasmissivo va gestita in modo differente per la gestione delle collisioni, si è arrivati a prestazioni tali da scambiare fino a 15 flussi di messaggi contemporanei con 500 byte di payload, a 10 ms, quando il target di refresh della informazione per la sincronizzazione del moto delle macchine è di 100 millisecondi. I risultati ci hanno permesso non solo la pubblicazione di alcuni articoli IEEE, ma ci permettono di definire un possibile standard per le macchine del futuro da proporre alle prossime riunioni tecniche dei comitati ISO per la standardizzazione Internazionale. La soluzione che abbiamo progettato e testato è pronta per le applicazioni pilota su flotte di veicoli e IMAMOTER si sta preparando con la realizzazione di una unità di controllo embedded in grado di fare da gateway tra le reti attuali e quelle del futuro, per gestire applicazioni miste in cui testare il protocollo sulle unità in cui sarà possibile sostituire la parte di interfaccia di rete, e per realizzare interfacce esterne per le unità di controllo in cui tale sostituzione non sarà possibile (ad esempio le unità di controllo dei motori endotermici).
Come ultima nota si tiene precisare che tali protocolli sono aperti e facilmente adattabili sia in ambito industriale che in ambito veicolare, a tutti i livelli, poiché sia la banda allocata ai diversi protocolli, sia il throughput sia il numero di partecipanti e la topologia di rete sono programmabili, perché il protocollo è stato concepito in modo totalmente aperto e modificabile, con interventi importanti allo stack TCP/IP.
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