Analisi e sperimentazione di sistemi TCMS con tecnologia CAN-Bus per l'automazione dei veicoli ferroviari

La rapida evoluzione della tecnica elettronica unitamente all’incremento della competitività del mercato dei sistemi informatizzati, ha condotto ad una graduale trasformazione delle dinamiche commerciali del settore ferroviario; in particolare, la profusione dei dispositivi dotati di tecnologia elettronica ha di fatto soppiantato l’impiego delle tradizionali periferiche. Storicamente, le aziende leader del settore ferroviario hanno costituito un oligopolio; tale condizione, anomala rispetto agli altri campi industriali, ha comportato un prolungato stallo tecnologico che non ha agevolato lo sviluppo della tecnica settoriale. In passato, i tradizionali sistemi di controllo dei veicoli ferroviari erano realizzati connettendo per via diretta l’unità centrale di controllo ai dispositivi periferici che gestivano le varie parti di un processo; ciò veniva realizzato tramite collegamenti elettrici punto-punto, implicando un elevato dispendio di materiali, notevoli ingombri, elevata complessità nel cablaggio e una bassa flessibilità nell’upgrade del sistema. Tuttavia, all’inizio di questo millennio, il trend dell’automazione ferroviaria ha subito un cambiamento di direzione rispetto alla tendenza tradizionale, conducendo una rapida evoluzione degli scenari. In particolare i nuovi dispositivi istallati sui rotabili hanno permesso di ottenere molte più informazioni riguardanti il sistema, fornendo così un contributo allo sviluppo gestionale del treno e, conseguentemente, apportando benefici in termini di sicurezza, affidabilità e comfort. L’apporto dei dispositivi elettronici a bordo treno ha determinato una rivoluzione del concetto di comunicazione per quanto concerne l’interfaccia delle periferiche: si è reso necessario un radicale cambiamento della filosofia circa lo scambio dei segnali, prima meramente cablata, in informatizzata con l’utilizzo di un unico supporto che ne consenta la condivisione profusiva. Di fatto, l’applicazione di sistemi digitali per la comunicazione ha condotto ad una drastica semplificazione dei collegamenti a fronte di un notevole incremento della complessità della programmazione software delle periferiche. Infatti, mentre le strumentazioni elettromeccaniche necessitano uno scambio di segnali elettrici di potenza, i dispositivi elettronici richiedono uno scambio di informazioni in formato digitale; un importante vantaggio ottenuto mediante l’utilizzo di periferiche digitali è quello di poter trasferire dati di diversa natura, quali messaggi dedicati al comando, alla retroazione e alla diagnostica, tramite il medesimo canale. I sistemi elettronici sono diventati i punti cardine dello sviluppo della rete di trasporti del domani; questa espansione colpisce molti fronti: dai sistemi di comunicazione a bordo treno, a quelli tra treno e terra, ai sistemi per la diagnostica, per le informazioni ai passeggeri e per la manutenzione. Il veicolo ferroviario, quale sistema complesso, deve essere dotato di una rete di comunicazione che consenta di far interagire i vari dispositivi in maniera estremamente flessibile; nonostante l’affidabilità della topologia di rete a maglia completa, è palese affermare che questa non è la configurazione ottimale in quanto il costo dell’impianto crescerebbe secondo legge quadratica rispetto al numero dei nodi della rete. Si rende perciò indispensabile l’esercizio della rete avente configurazione bus. Nel recente passato i produttori del settore hanno sviluppato, autonomamente, dei bus proprietari atti a fornire un supporto ai sistemi TCMS (Train Communication & Monitoring System). Tuttavia la necessaria flessibilità richiesta per accoppiare veicoli ferroviari differenti tra loro, ha portato alla definizione dello standard TCN (Train Communication Network, IEC 61375); in particolare, per quanto riguarda la comunicazione tra i dispositivi del medesimo treno, è stato riconosciuto il protocollo MVB (Multifunction Vehicle Bus), mentre per quanto riguarda l’interfaccia tra due o più treni è stato ideato il protocollo WTB (Wire Train Bus). Inoltre i due protocolli avevano ed hanno tutt’ora la possibilità di scambiare informazioni mediante un nodo di interfaccia denominato gateway. Circa i veicoli dotati di bus diversi da quelli previsti dallo standard, i produttori hanno potuto comunque garantire la comunicazione richiesta, mediante un retrofitting, istallando un gateway opportunamente configurato; tuttavia, la grande maggioranza dei produttori si è adeguata allo standard MVB. L’MVB è stato concepito come sistema a logica decentralizzata avente accesso al bus di tipo deterministico, pertanto il bus risulta perennemente occupato e non accessibile in tempi casuali. La conseguenza principale di questa procedura è che un segnale, seppur considerato prioritario, deve attendere il proprio turno per poter comunicare un’informazione, rispettando i tempi di latenza stabiliti. Malgrado negli ultimi anni siano stati sviluppati algoritmi atti ad arginare i problemi generati da queste caratteristiche, l’MVB è tuttora affetto da criticità operative: un segnale prioritario, infatti, deve necessariamente ritardare la comunicazione fintantoché l’anello logico di Token non si richiuda. Soventemente, per poter ovviare a queste problematiche, è necessario distribuire i messaggi dell’impianto su più bus MVB, complicando la topologia delle reti di comunicazione a bordo treno. Di fatto il protocollo MVB è stato ideato ed utilizzato esclusivamente in ambito ferroviario; questo aspetto non ha permesso una sostanziale flessione dei costi, spingendo i costruttori ad investire sullo sviluppo di tecnologie meno costose ma tecnicamente all’avanguardia. Recentemente, alcune analisi condotte sotto l’aspetto tecnico-economico sui protocolli di comunicazione open utilizzati per l’automazione industriale, hanno evidenziato che le potenzialità del protocollo CAN (Controller Area Network) possono risultare vincenti anche per le applicazioni ferroviarie. In particolare, le peculiarità dello standard CANopen sono: l’economicità del suo utilizzo in quanto la tecnologia prevista non è proprietaria e non è richiesto alcun pagamento per la licenza, l’estrema affidabilità e l’implicita sicurezza nello scambio di dati, la flessibilità e customizzazione per incontrare le esigenze della singola applicazione. L’utilizzo in grande scala dello standard CAN, dal settore automotive a quello industriale, ha portato ad un sensibile sviluppo della sua tecnologia e ad un progressivo contenimento dei costi, permettendo così il suo consolidamento nel mercato dell’automazione. Il principale obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un innovativo sistema TCMS basato sulla tecnologia CAN-Bus che permetta di gestire in maniera efficiente ed efficace le informazioni legate alle funzionalità del rotabile e che sia in grado di classificare il livello di prelazione per ciascun segnale ad esse associate. Unitamente a quanto detto, ci si propone di studiare l’affidabilità del sistema in condizioni di guasto sulla rete di trasmissione dati e sulla rete di alimentazione per ciascun componente. Il lavoro di tesi è stato svolto durante uno stage della durata di sei mesi presso S.P.I.I. S.p.A di Saronno; questa azienda, che si occupa di automazione dei veicoli ferroviari da oltre sessant’anni, ci ha fornito il know-how e la possibilità materiale di analizzare e sperimentare il sistema TCMS per interfacciarsi con il DMI (Driver Machine Interface) appositamente realizzato.