Progettare applicazioni IoT rinforzate con reti di alimentazione e dati basate su Industrial Ethernet

La connessione degli impianti di produzione a Internet consente di aumentare l'efficienza, la qualità e la produttività. Ad esempio, le macchine possono essere programmate e controllate a distanza, i dati provenienti dalle macchine e dai processi possono essere analizzati continuamente per verificare la presenza di errori o derive di processo e si possono apportare modifiche a distanza alle macchine per mettere a punto la produzione in un anello di retroazione chiuso. A lungo termine, i dati possono essere utilizzati per pianificare la scalabilità futura e l'integrazione più rapida di nuove tecniche di produzione.

Sebbene la connettività sia un'esigenza sentita, il modo in cui viene realizzata richiede una seria riflessione. Esistono molte opzioni, tra tutte Ethernet è una soluzione accessibile e comprovata per la rete di fabbrica. È l'opzione di rete cablata più diffusa a livello globale, con un buon supporto da parte dei fornitori e una perfetta interoperabilità con il cloud. Inoltre, il cablaggio può essere utilizzato per trasportare sia l'alimentazione (Power over Ethernet (PoE)) che i dati, il che significa che un unico set di cavi può supportare la rete e alimentare i sensori, gli attuatori e altri dispositivi collegati, come le telecamere.

Tuttavia, Ethernet standard non è all'altezza dei compiti di tipo industriale. L'hardware non è progettato per funzionare in modo affidabile in un ambiente di fabbrica caldo, sporco e soggetto a vibrazioni. Inoltre, i protocolli Ethernet standard non sono deterministici e quindi sono poco adatti alle esigenze dell'ambiente di fabbrica, dove la produzione richiede un controllo pressoché in tempo reale per gestire processi ad alta velocità.

Industrial Ethernet offre tutti i vantaggi di Ethernet standard, ma aggiunge al mix la robustezza e il software deterministico. Si tratta di una tecnologia comprovata e matura per l'automazione industriale, che non solo consente di inviare i dati di processo al cloud, ma anche di consentire a un supervisore remoto di accedere facilmente ad azionamenti, PLC e dispositivi I/O dell'impianto produttivo. Una modifica dello standard Ethernet, IEEE 802.3cg, utilizza una sola coppia di fili per il trasporto dei dati, riducendo l'ingombro e il costo del cablaggio.

In questo articolo si parla della sfida della connettività per le applicazioni industriali prima di delineare le differenze tra Ethernet e Industrial Ethernet. L'articolo prende quindi in considerazione l'uso delle tecnologie PoE e Single-Pair Ethernet (SPE) prima di introdurre l'hardware di Amphenol e il modo in cui può essere implementato in una rete Industrial Ethernet.

Le sfide di Ethernet per il settore industriale

Mentre il Wi-Fi è il modo più diffuso per connettersi a Internet, i locali commerciali utilizzano in genere la tecnologia di rete locale cablata (LAN) Ethernet per collegare tra loro computer e altre apparecchiature.

Agli albori di Ethernet, i computer della rete utilizzavano un unico bus per comunicare. Questo tipo di rete è la configurazione più semplice, economica e facile da installare. Tuttavia, è relativamente inefficiente perché i computer connessi competono per la larghezza di banda, causando congestione, perdita di pacchetti e una marcata riduzione della larghezza di banda.

Le attuali reti degli uffici utilizzano tipicamente topologie a stella, ad albero o a maglia in cui gli switch controllano l'accesso alla rete per limitare la congestione e mantenere costante il throughput. Il traffico Ethernet è controllato dagli switch in modo che i messaggi diretti passino solo tra i dispositivi che devono comunicare, invece di essere trasmessi sull'intera rete (Figura 1).

Figura 1: Gli switch Ethernet controllano l'accesso alla rete per limitare la congestione e mantenere costante il throughput. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Basato su uno standard costantemente aggiornato (IEEE 802.3), Ethernet è comprovato, sicuro, affidabile e offre velocità di trasmissione fino a centinaia di gigabyte. Anche se non fa parte dello standard, Ethernet utilizza tipicamente TCP/IP (parte della suite di protocolli Internet (IP)) per l'instradamento e il trasporto, per una connettività senza soluzione di continuità con Internet. Inoltre, consente di scalare facilmente le reti con cavi, connettori e switch acquistabili presso centinaia di fornitori.

Ethernet si è evoluta per combinare alimentazione e comunicazioni su un unico cavo Ethernet CAT 3 o CAT 5, consentendo ai tecnici di creare reti Ethernet e di alimentazione che richiedono pochissima manutenzione in modo rapido ed economico, rispetto alle installazioni che utilizzano sistemi separati. La tecnologia è stata formalizzata in uno standard dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) chiamato PoE. I vantaggi principali di questa tecnologia sono la sua semplicità e la disponibilità dell'alimentazione ovunque vi sia una presa dati. (Vedere "Introduzione a Power over Ethernet".)

Una recente modifica alle specifiche Ethernet, IEEE 802.3cg, descrive l'alternativa SPE per il trasporto dei dati su un singolo doppino anziché sul cavo CAT 3 o CAT 5 multifilare di Ethernet standard o PoE. SPE è adatto alle applicazioni di automazione industriale perché consente ai progettisti di fabbrica e dell'automazione degli edifici di utilizzare i noti protocolli basati su Ethernet per la comunicazione a lunga distanza tra i controller e i sensori industriali, al contempo riducendo enormemente il volume dei cablaggi (Figura 2).

Figura 2: Single-Pair Ethernet si sta affermando come una forma di Ethernet economica e poco ingombrante per una serie di applicazioni industriali e commerciali. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

In linea di principio, Ethernet è un modo ideale per collegare un front office di supervisione alle operazioni di produzione, colmando efficacemente il divario tra le reti informatiche (IT) e quelle operative (OT).

Gli impianti di produzione comportano ulteriori sfide ingegneristiche nell'implementazione di Ethernet. In primo luogo, le fabbriche sono un ambiente pericoloso per cavi, connettori e interruttori delicati. L'ambiente è caldo, polveroso e pieno di sostanze chimiche incompatibili con i cavi di oltre 100 metri tipici delle implementazioni in fabbrica. Inoltre, l'umidità e le vibrazioni danneggiano i conduttori e i contatti. In più, le fabbriche hanno grandi motori che si accendono e si spengono continuamente, causando transitori di tensione e interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono disturbare le comunicazioni Ethernet.

In secondo luogo, un impianto di produzione presenta molti robot in movimento e macchine sincronizzate che necessitano di controllo in tempo reale. I meccanismi di comunicazione non deterministici di Ethernet standard non sono adatti a fornire questa capacità di controllo.

Hardware per Industrial Ethernet

"Industrial Ethernet" è il termine comune per i sistemi Ethernet adattati all'uso in fabbrica. Tali sistemi sono caratterizzati da robusti strati fisici (PHY) e protocolli industriali come ModbusTCP, PROFINET ed Ethernet/IP. Inoltre, a differenza delle implementazioni Ethernet standard, Industrial Ethernet utilizza tipicamente topologie a linea o ad anello, perché consentono di accorciare i percorsi dei cavi (limitando l'impatto delle EMI), di ridurre la latenza e di creare un certo grado di ridondanza.

I cavi sono robusti e includono una schermatura per la protezione dalle EMI, mentre i connettori sono protetti in modo analogo contro i rigori dell'ambiente industriale.

I produttori indicano la resistenza dei loro prodotti in base al sistema di classificazione IP. Il grado di protezione IP indica il grado di protezione fornito dal prodotto ed è definito dallo standard internazionale EN 60529. Lo schema è composto da due cifre, la prima delle quali rappresenta il livello di protezione dagli oggetti solidi, che vanno dagli utensili o dalle dita, che potrebbero essere pericolosi se incontrassero i conduttori elettrici, fino alla sporcizia e alla polvere sospese nell'aria che potrebbero danneggiare i circuiti. La seconda cifra definisce la protezione da gocce d'acqua, spruzzi o immersione. La gamma va da IP00 (nessuna protezione da polvere e acqua) a IP69 (protezione totale da polvere e getti d'acqua potenti e ad alta temperatura).

I connettori Industrial Ethernet sono generalmente racchiusi in alloggiamenti protettivi di vario tipo fino a IP67. In questo caso, un punteggio di sei significa che la polvere o la sporcizia non penetrano nell'unità anche dopo un contatto diretto con la contaminazione per otto ore. Il grado di protezione dall'acqua pari a sette significa che il dispositivo può essere immerso fino a un metro di acqua dolce per 30 minuti senza che subisca danni.

Quando sceglie PHY, cavi e connettori per Industrial Ethernet, il progettista deve verificare l'immunità alle EMI esaminando nella scheda tecnica i seguenti standard IEC ed EN:

• IEC 61000-4-5 - sovratensioni
• IEC 61000-4-4 - transitori elettrici veloci (EFT)
• IEC 61000-4-2 - ESD
• IEC 61000-4-6 - immunità condotta
• EN 55032 - emissioni irradiate
• EN 55032 - emissioni condotte

L'adesione ad alcuni o a tutti questi standard garantisce che le prestazioni EMI del sistema Industrial Ethernet nell'ambiente di fabbrica siano soddisfacenti.

Connettori rinforzati

Che siano integrati nei pannelli di controllo delle macchine, negli switch Ethernet o nel cablaggio, i connettori sono fondamentali per le prestazioni di un sistema Industrial Ethernet. Senza un'accurata selezione, un singolo guasto al connettore in un ambiente di produzione ad alta velocità può causare il malfunzionamento o l'arresto di macchine anche molto costose.

Esistono diversi fornitori che offrono connettori Industrial Ethernet comprovati e affidabili per una serie di applicazioni Ethernet, PoE e SPE. Ad esempio, la soluzione di cavo e connettore push-pull rettangolare Industrial IP6X di Amphenol fornisce connettività Ethernet CAT 6A utilizzando l'interfaccia di accoppiamento IEC 61076-3-124 e una tenuta completa secondo le specifiche IP65, IP66 e IP67. In particolare, i connettori sono destinati all'uso in applicazioni Industrial Ethernet che richiedono una protezione ambientale aggiuntiva e sono adatti a qualsiasi ambiente interno ed esterno, robusto e gravoso.

La famiglia comprende l'alloggiamento per connettori rettangolari NDHN200 IP67 per montaggio a pannello, illustrato nella Figura 3. Il connettore NDHN3A2 a 10 posizioni, multiuso, senza saldature (Figura 4), è progettato per accoppiarsi con NDHN200. Il connettore include un fermo di chiusura e un rivestimento schermato. Ha una potenza nominale di 50 V c.a. o 60 V c.c., 1,5 A e può essere accoppiato/disaccoppiato fino a 250 volte.

Figura 3: NDHN200 è un connettore rettangolare con grado di protezione IP67 per applicazioni Industrial Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Figura 4: NDHN3A2 è un connettore IP67 che include un fermo di chiusura e un rivestimento schermato. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Amphenol ha rilasciato anche connettori SPE per la connettività Ethernet di dispositivi periferici come sensori, attuatori e telecamere che operano a velocità fino a un Gbps. Il fattore di forma SPE riduce le dimensioni, il peso e il costo rispetto a Ethernet standard. I connettori hanno grado di protezione IP67 con un fattore di forma circolare di dimensioni M12. Si accoppiano a spine terminali sul campo, fornendo un'interfaccia completamente schermata con funzioni di blocco. La loro capacità di gestire tensioni/correnti di 60 V c.c. e fino a 4 A supporta PoE su una distanza fino a 1 km. Un esempio è MSPEJ6P2B02, un connettore SPE 2P2C (Figura 5).

Figura 5: Il connettore SPE IP67 MSPEJ6P2B02 è disponibile nel diffuso formato circolare M12. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

L'azienda offre anche una gamma simile di connettori SPE con una spina rettangolare con grado di protezione IP20 anziché IP67. La soluzione offre le stesse prestazioni elettriche della gamma M12, ma è meno costosa. Un esempio è il connettore modulare SPE MSPE-P2L0-2A0 (Figura 6).

Figura 6: Il connettore modulare SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 è un'opzione economica per gli ambienti meno pericolosi. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Protocolli Industrial Ethernet

Il meccanismo di comunicazione di Ethernet standard è soddisfacente per il traffico relativamente contenuto di un ufficio o di una piccola azienda. Questo meccanismo è tuttavia suscettibile di interruzioni e di perdita di pacchetti, con conseguente aumento della latenza che lo rende inadatto alle esigenze quasi in tempo reale di una linea di produzione in rapido movimento e sincronizzata. Come già detto, un ambiente di questo tipo richiede un protocollo deterministico per garantire che le istruzioni della macchina arrivino in tempo, ogni volta, indipendentemente dal carico della rete.

Per superare questa sfida, l'hardware Industrial Ethernet è completato da un software altrettanto "industriale". Sono disponibili diversi protocolli Industrial Ethernet comprovati, tra cui Ethernet/IP, ModbusTCP e PROFINET. Ognuno è progettato per garantire il determinismo delle applicazioni di automazione industriale.

La differenza tra il software Ethernet e Industrial Ethernet può essere meglio descritta considerando il modello di astrazione a sette livelli ("stack") ISO/OSI, che comprende i livelli PHY, circuito dati, rete, trasporto, sessione, presentazione e applicazione. Lo standard Ethernet comprende i livelli PHY, circuito dati, rete e trasporto (che utilizzano TCP/IP o UDP/IP come trasporto) e può essere considerato un meccanismo di comunicazione che offre efficienza, velocità e versatilità.

Al contrario, i protocolli Industrial Ethernet, ad esempio PROFINET, utilizzano il livello applicativo dello stack Industrial Ethernet. PROFINET è un protocollo di comunicazione progettato per scambiare informazioni tra macchine e controller in un ambiente di automazione, utilizzando come meccanismo di comunicazione Ethernet standard (Figura 7).

Figura 7: Il modello di astrazione a sette livelli ISO/OSI rappresenta lo stack software di Industrial Ethernet. I protocolli Industrial Ethernet, come PROFINET, si collocano nel livello applicativo. (Immagine per gentile concessione di Profinet)

Il software Industrial Ethernet può anche sfruttare altri protocolli progettati specificamente per l'invio di dati al cloud. Tra gli esempi vi sono protocolli come MQTT o SNMP.

Conclusione

Per tener conto degli ambienti difficili e dei requisiti in tempo reale della fabbrica, Industrial Ethernet utilizza hardware robusto come switch, cavi e connettori, nonché software industriale, per collegare in modo affidabile le reti IT e OT della fabbrica.

Come dimostrato, le comprovate soluzioni di connettori commerciali semplificano per gli ingegneri lo sfruttamento di Industrial Ethernet per programmare e controllare l'automazione industriale ad alta velocità, raccogliendo al contempo i dati necessari per migliorare e scalare le operazioni di produzione.