Negli ultimi vent’anni il settore della produzione industriale ha visto cambiamenti significativi. Sempre più spesso, gli impianti di produzione sono collegati a sistemi di controllo e di analisi delle prestazioni. L’ambiente di rete industriale è spesso diverso, in quanto Ethernet è la rete dorsale dei sistemi IT aziendali. Un mix ecclettico di metodi che utilizzano bus seriali a bassa velocità forma le connessioni con la tecnologia operativa (OT) utilizzata sulle apparecchiature industriali. La gestione di più protocolli di rete è una sfida e non è più adatta ai moderni sistemi IIoT, come la visone industriale, per applicazioni in tempo reale a banda larga. Questo articolo delinea lo sviluppo recente di Ethernet a coppia singola e come il protocollo Ethernet può collegare i sistemi IT aziendali fino al bordo OT.
L’ascesa delle macchine connesse
Le iniziative di trasformazione industriale come l’Industria 4.0 sono responsabili del rinvigorimento di molte fabbriche e operazioni di produzione. Con l’obiettivo di migliorare l’efficacia operativa complessiva di un processo o di un impianto, la raccolta dei dati è fondamentale. Il tempismo è spesso cruciale per il successo di molte cose nella vita, e questo è stato certamente il caso di quando l’Industria 4.0 ha incontrato il concetto di Internet delle cose (IoT). L’IoT, in particolare l’Industrial IoT (IIoT), era esattamente ciò che serviva per collegare tra di loro i motori, i sensori, gli attuatori e la miriade di altre apparecchiature di controllo utilizzate in un processo automatizzato.
Tuttavia, collegare i sistemi e i componenti di controllo non è un concetto nuovo. Per oltre quarant’anni, i controllori di processo industriale hanno usato dei protocolli di rete seriali come Profibus, RS232/422 e Modbus. L’interfacciamento tra i sistemi IT aziendali è diventato un compito complesso per quanto riguarda i gateway e i server dedicati.
L’eredità di Ethernet
Il mondo dell’informatica è cambiato molto dagli anni ’80. All’inizio, connettere i singoli computer tra loro era complicato, con molti protocolli di rete brevettati che facevano a gara per dominare. Ethernet era uno di questi protocolli che è emerso per diventare l’onnipresente nonché ampiamente adottato come standard di rete IEEE 802.3.
La Figura 1 illustra come la Ethernet si è evoluta in termini di larghezza di banda dalla sua ratifica come 802.3.
Man mano che Ethernet si è evoluta e la sua flessibilità, resilienza e convenienza sono state rispettate, si è sviluppata come un candidato naturale per le applicazioni al di fuori dei suoi mercati tradizionali. Ethernet è diventato rapidamente uno standard praticabile per le applicazioni di rete a bordo dei veicoli e di automazione degli edifici. Gli adattamenti di Ethernet industriale, come il collegamento in rete in tempo reale e deterministico (TSN), e la sua capacità di trasportare più protocolli legacy, dimostrano l’idoneità di Ethernet per tutti i tipi di automazione.
Requisiti della rete industriale
L’ambiente industriale è diverso dalla maggior parte degli uffici e dei centri dati. La disposizione defacto del connettore RJ45 a quattro doppini intrecciati di Ethernet usata nelle nostre case e negli uffici è poco adatta all’uso industriale. I cavi e i connettori di rete che collegano gli impianti di produzione e i sensori ai sistemi di controllo sono soggetti a un ambiente operativo difficile con specifici vincoli meccanici. I fattori ambientali includono le vibrazioni, l’umidità e la necessità di protezione dall’ingresso. Negli armadi di controllo industriali con spazio limitato, la densità delle apparecchiature è elevata e i cavi devono essere molto flessibili e capaci di un raggio di curvatura stretto. Allo stesso modo, la protezione dei cavi all’interno di condotti metallici pone dei vincoli sulle dimensioni dei cavi utilizzati.
La rapida crescita della diffusione dei dispositivi IIoT basati su smart edge richiede una fonte di alimentazione oltre alla connettività cablata. Ethernet offre una funzionalità PoE (Power over Ethernet), ma lo spessore, il peso e il costo dell’installazione di un cavo Ethernet tradizionale a otto conduttori ne precludono l’uso.
Ethernet a coppia singola; la scelta perfetta per le applicazioni industriali
Nel 2019 è stato stabilito lo standard gigabit single pair Ethernet (SPE), IEEE 802.3bp 1000BASE-T1. Come suggerisce il nome, esso utilizza una singola coppia di conduttori intrecciati offrendo una distanza massima di collegamento di 15 metri utilizzando cavi non schermati e 40 metri con quelli schermati. Rispetto a un normale cavo Ethernet Cat 6 a quattro coppie che utilizza conduttori AWG 23, un cavo SPE è più leggero del 60% e ha un diametro notevolmente inferiore. Come evidenziato, il connettore RJ45 è inadatto all’uso industriale, rendendo necessarie ulteriori indagini su un formato di connettore che l’industria potrebbe adottare. Nel marzo 2020 è stato annunciato lo standard di connettori IEC 63171 per SPE.
Uno standard di capacità di erogazione dell’energia denominato power over data line (PoDL) è definito in IEEE 802.3bu. Nove classi di combinazioni di corrente e tensione permettono un massimo di 50 Watt consegnati al dispositivo finale. Una recente revisione dello standard PoDL, 802.3cg, aggiunge sei classi, vedi Figura 2, che stabilisce un massimo di 52 Watt erogati al carico. Lo standard evidenzia anche la necessità di un leggero aumento del diametro del conduttore e definisce la resistenza massima del conduttore per ottenere le massime capacità di erogazione della potenza.
Gli standard da IEC 63171-1 a 63171-6 definiscono una serie di diversi formati di connettore SPE – vedi Figura 3. Essi si adattano alle capacità di alimentazione separata e su linea dati, alla protezione d’ingresso e all’uso di tipi di cavi schermati o non schermati. I tipi di connettori circolari industriali molto diffusi, M8 e M12, fanno parte della solida linea IP65/67.
Ethernet a coppia singola; fornire una robusta connettività di rete dal centro dati agli endpoint industriali
Il protocollo Ethernet, ampiamente rispettato, offre una rete resiliente, affidabile e di livello aziendale. Ora, con l’avvento di IEEE 802.3bp single pair Ethernet e lo standard IEC 63171 SPE connector, questi stessi livelli di qualità del servizio e fornitura di energia sono disponibili per gli endpoint. L’uso di un unico protocollo di rete semplifica notevolmente le complessità e i costi dell’infrastruttura di rete.
