Protocolli di comunicazione supportati

Modbus (RTU / TCP)

Scopo e descrizione

Protocollo industriale semplice e ampiamente diffuso per lo scambio di dati di processo tra controllori, sensori e attuatori. Sviluppato nel 1979 da Modicon (oggi Schneider Electric), è diventato lo standard de facto dell’automazione industriale. Viene utilizzato nei sistemi SCADA, nei PLC, negli azionamenti a frequenza variabile, negli strumenti di misura e nei sensori. Grazie alla semplicità di implementazione e ai requisiti minimi di risorse di calcolo, il protocollo è ideale per i sistemi embedded e i dispositivi con memoria limitata.

Architettura e modello dei dati

Il modello dei dati basato su registri si fonda su quattro tipi di spazio di indirizzamento:

• Coils (0x) — uscite discrete (lettura/scrittura di valori a bit)
• Discrete Inputs (1x) — ingressi discreti (sola lettura)
• Input Registers (3x) — registri di ingresso a 16 bit (sola lettura)
• Holding Registers (4x) — registri di mantenimento a 16 bit (lettura/scrittura)

Architettura client-server (master-slave): il dispositivo master avvia le richieste, gli slave rispondono. Ogni dispositivo slave ha un indirizzo univoco (1–247). Il protocollo non contiene alcuna semantica dei dati integrata: l’interpretazione dei valori dei registri è definita a livello applicativo e nella documentazione del dispositivo. Supporta operazioni di lettura e scrittura per singoli e per più registri.

Trasporto

Modbus RTU:

• Linee seriali RS-485 (fino a 32 dispositivi per bus, distanza fino a 1200 m) o RS-232 (punto-punto)
• Rappresentazione binaria dei dati
• Verifica dell’integrità tramite CRC-16
• Velocità di trasmissione: da 1200 a 115200 baud
• Trasmissione half-duplex

Modbus TCP:

• Incapsulamento dei frame Modbus in TCP/IP (porta 502)
• Intestazione MBAP (Modbus Application Protocol) per l’identificazione delle transazioni
• Trasmissione full-duplex
• Possibilità di operare contemporaneamente con più dispositivi
• Nessuna checksum richiesta (l’affidabilità è garantita da TCP)

Funzionalità principali

• Lettura e scrittura di segnali discreti (Coils) e registri
• Supporto dei Function Code standard (FC 01–06, 15–16, 23)
• Funzioni diagnostiche (FC 08)
• Lettura dei dati di identificazione del dispositivo (FC 17, 43)
• Requisiti minimi di risorse di calcolo per i dispositivi
• Implementazione e debug semplici
• Basso costo di implementazione
• Gestione delle eccezioni e codici di errore
• Supporto dei messaggi broadcast (indirizzo 0) in RTU
• Scalabilità fino a 247 dispositivi su una linea (RTU) o illimitata tramite TCP

OPC UA

Scopo e descrizione

Standard universale e multipiattaforma (OPC Unified Architecture, IEC 62541) per lo scambio sicuro e strutturato di dati industriali, metadati e informazioni semantiche. Sviluppato dalla OPC Foundation come successore delle specifiche classiche OPC DA/AE/HDA, elimina la dipendenza dalle tecnologie Microsoft DCOM. Consente l’integrazione verticale e orizzontale nei sistemi industriali — dal livello di campo ai sistemi informativi aziendali (ERP, MES). Supporta i concetti di Industrie 4.0 e di gemello digitale grazie alle ampie capacità di modellazione delle informazioni.

Architettura e modello dei dati

Modello dei dati orientato agli oggetti che rappresenta le informazioni come uno spazio di nodi indirizzabile (Address Space):

• Nodi di vario tipo: Variable, Object, Method, View, DataType, ReferenceType
• Attributi dei nodi: Value, DataType, AccessLevel, Timestamp, Quality, DisplayName, ecc.
• Riferimenti tra i nodi: gerarchici, associativi, basati su componenti
• Tipi di dati: primitivi, strutture, array, enumerazioni

Servizi supportati:

• Subscription — monitoraggio delle variazioni dei dati con intervalli di campionamento e filtri configurabili
• Events & Alarms — notifiche asincrone di eventi, allarmi e stati
• Historical Access — accesso a dati ed eventi archiviati
• Methods — invocazione remota di procedure sui dispositivi

Modelli informativi specifici di settore (Companion Specifications): meccanica, energia, oil & gas, farmaceutica.

Trasporto

UA Binary Protocol su TCP/IP:

• Protocollo binario con serializzazione ottimizzata (porta 4840)
• Prestazioni elevate e overhead minimo

HTTPS / SOAP:

• Profilo Web Services per l’integrazione con i sistemi aziendali
• Codifica JSON per le applicazioni cloud

OPC UA PubSub:

• Modello publisher-subscriber per i sistemi distribuiti
• Trasporto: UDP Multicast, MQTT, AMQP, Ethernet TSN
• Trasmissione deterministica per le applicazioni time-critical

Sicurezza:

• Modalità di sicurezza multilivello (None, Sign, SignAndEncrypt)
• Certificati X.509 per l’autenticazione
• Crittografia AES, RSA

Funzionalità principali

• Modellazione delle informazioni: trasmissione non solo di valori “grezzi” ma di dati complessi e strutturati con semantica, tipizzazione e metadati
• Sottoscrizioni con intervalli di polling configurabili, filtri deadband e buffering
• Eventi e sistema di allarmi con filtraggio condizionale
• Invocazione di metodi per il controllo dei dispositivi e l’esecuzione di operazioni
• Accesso ai dati storici con aggregazione
• Service discovery nelle reti locali
• Sicurezza integrata: crittografia del canale, autenticazione basata su certificati o nome utente/password, controllo degli accessi a livello di nodo
• Ridondanza del server e tolleranza ai guasti
• Multipiattaforma: Windows, Linux, VxWorks, QNX e altri sistemi operativi
• Scalabilità: dai microcontrollori ai sistemi distribuiti

MQTT

Scopo e descrizione

Protocollo di messaggistica leggero (Message Queuing Telemetry Transport) per telemetria, monitoraggio remoto e gestione di dispositivi IoT, ottimizzato per reti inaffidabili, larghezza di banda limitata e latenze elevate. Sviluppato nel 1999 da IBM per il monitoraggio di oleodotti, è stato standardizzato da OASIS e ISO/IEC (20922:2016). Ampiamente utilizzato nell’IoT industriale, nelle smart home, nella telematica veicolare e nelle applicazioni mobili. Il protocollo è incentrato sulla riduzione al minimo del traffico di rete e del consumo energetico dei dispositivi.

Architettura e modello dei dati

Modello Publish/Subscribe asincrono con un broker centralizzato:

• Publisher — dispositivo o applicazione che pubblica messaggi sui topic
• Subscriber — dispositivo o applicazione sottoscritto per ricevere i messaggi dai topic
• Broker — server centrale di instradamento dei messaggi (Mosquitto, HiveMQ, EMQ X, ecc.)

Topic — struttura di percorso gerarchica per la categorizzazione dei messaggi:

• Separatori di livello: / (ad esempio, factory/building1/temperature)
• Caratteri jolly: + (singolo livello), # (più livelli)
• Esempio di sottoscrizione: sensors/+/temperature oppure factory/#

Formato dei dati definito dall’applicazione: JSON, Protocol Buffers, XML, dati binari, testo.
Retained messages: il broker conserva l’ultimo messaggio di un topic e lo recapita ai nuovi subscriber.
Sessioni persistenti: il broker mantiene le sottoscrizioni del client in caso di disconnessione.

Trasporto

• Livello di trasporto: TCP/IP (porta 1883 per le connessioni non protette)
• TLS/SSL (porta 8883) per crittografia e autenticazione
• WebSocket per l’integrazione con browser e applicazioni web
• Versioni del protocollo: MQTT 3.1.1 (la più diffusa), MQTT 5.0 (funzionalità estese)
• Dimensione dell’intestazione: minimo 2 byte (fixed header)
• Meccanismo keep-alive: PINGREQ/PINGRESP periodici per il monitoraggio della connessione
• Il funzionamento basato su broker garantisce il disaccoppiamento tra publisher e subscriber, lo scaling orizzontale e la gestione centralizzata

Funzionalità principali

• QoS (Quality of Service) con tre livelli di garanzia di consegna:
  • QoS 0: At most once (senza conferma)
  • QoS 1: At least once (con conferma)
  • QoS 2: Exactly once (handshake a quattro fasi)
• Overhead di rete minimo: fixed header di 2 byte, codifica binaria efficiente
• LWT (Last Will and Testament): meccanismo di notifica automatica della disconnessione imprevista di un dispositivo — il broker pubblica un messaggio predefinito se il client termina la sessione in modo anomalo
• Clean Session / Persistent Session: possibilità di ripristinare sottoscrizioni e messaggi dopo la riconnessione
• Retained Messages: disponibilità dell’ultimo valore per i nuovi subscriber
• Basso consumo energetico: ideale per i dispositivi alimentati a batteria
• Scalabilità: supporto di milioni di connessioni simultanee su cluster di broker
• Sottoscrizioni con caratteri jolly per un filtraggio flessibile dei topic

DLMS / COSEM (IEC 62056)

Scopo e descrizione

Standard internazionale per lo scambio di dati con i contatori di utenze: elettricità, gas, acqua e calore (Device Language Message Specification / Companion Specification for Energy Metering). Sviluppato dalla DLMS User Association insieme all’IEC per garantire l’interoperabilità dei contatori intelligenti nei sistemi automatizzati di contabilizzazione e fatturazione (AMBS). Consente la lettura remota dei contatori, il monitoraggio della qualità dell’energia, la gestione delle tariffe e il rilevamento degli accessi non autorizzati. Ampiamente utilizzato dai gestori delle reti elettriche, dai fornitori di servizi pubblici e dagli integratori di sistemi Smart Grid.

Architettura e modello dei dati

Modello a oggetti COSEM (Companion Specification for Energy Metering):

• I dati del contatore sono rappresentati come oggetti logici (oggetti COSEM) con classi di interfaccia
• Codici OBIS (Object Identification System) — identificatore a sei byte per l’indirizzamento universale dei parametri: A-B:C.D.E*F
  • A — tipo di energia (1=elettricità, 6=calore, 7=gas, 8=acqua)
  • B — canale di misura
  • C — grandezza fisica (ad esempio, 1=energia attiva)
  • D — tipo di misura (8=tempo di integrazione)
  • E — fascia tariffaria
  • F — profondità storica

Protocollo DLMS:

• Livello applicativo secondo il modello OSI
• Associazioni con diversi diritti di accesso: Public, Reader, Manager
• Autenticazione: Low Level Security (LLS), High Level Security (HLS) con challenge-response
• Crittografia: supporto della DLMS Security Suite con algoritmi AES-GCM-128
• Load Profiles: oggetti buffer per la memorizzazione di serie temporali
• Sistema di scripting: esecuzione di sequenze di azioni sul contatore

Trasporto

Livello fisico e livello di collegamento dati:

• Porta ottica (IEC 62056-21, flag) — connessione diretta tramite testina a infrarossi per la lettura locale
• RS-485 / RS-232 con protocollo HDLC (High-Level Data Link Control) per reti multi-drop
• TCP/IP (porta 4059) — DLMS su TCP o incapsulamento IP per l’accesso remoto
• GSM/GPRS/LTE — trasmissione dati tramite reti mobili (protocolli wrapper)
• PLC (Power Line Communication) — trasmissione sulle linee elettriche (PRIME, G3-PLC)
• M-Bus — per l’integrazione con i sistemi di contabilizzazione di acqua e calore

Profili di trasmissione a seconda dell’implementazione del contatore:

• IEC 62056-46: COSEM su HDLC
• IEC 62056-47: trasporto COSEM su TCP-UDP/IP

Funzionalità principali

• Lettura del contatore — valori correnti di consumo energetico, potenza, tensione, corrente, fattore di potenza
• Load Profiles — dati dettagliati con marca temporale (intervalli di 15 min, orari, giornalieri)
• Registri eventi — registrazione di manomissioni del coperchio, interruzioni di alimentazione, sovratensioni, modifiche dei parametri
• Autenticazione e autorizzazione multilivello: controllo degli accessi basato sui ruoli (accesso pubblico, lettura, configurazione)
• Gestione delle tariffe — modifica remota di programmi tariffari e tariffe
• Sincronizzazione oraria per l’accuratezza delle marche temporali
• Controllo dei relè (connessione/disconnessione del carico)
• Monitoraggio della qualità dell’energia (cali di tensione, sovratensioni, armoniche)
• Supporto delle operazioni di gruppo su più contatori
• Protezione crittografica dei dati e integrità dei messaggi