Semplificare la connettività delle reti Industrial Ethernet con gli smart switch PoE

Ethernet è il protocollo più diffuso per la connettività di reti cablate per l'Internet delle cose industriale (IIoT). Di conseguenza, i cavi Ethernet sono onnipresenti in qualsiasi impianto di automazione industriale. Poiché anche l'elettricità deve essere disponibile ovunque sia installata la rete Ethernet, le linee elettriche si trovano quasi ovunque siano presenti i cavi Ethernet - di solito nello stesso fascio.

La tecnologia Power over Ethernet (PoE) è nata per semplificare quanto più possibile le strutture di automazione industriale. Trasmettere l'energia elettrica attraverso lo stesso cavo di connettività Ethernet permette di stendere meno cavi nella struttura, rendendo più facile l'installazione o la riconfigurazione di un sito produttivo.

Questo articolo esamina come gli smart switch per Industrial Ethernet con supporto PoE possano semplificare il layout di una fabbrica riducendo al contempo i costi. Introdurrà quindi due switch Ethernet per guida DIN di Henrich Electronics in grado di garantire sia la connettività di rete che l'alimentazione sullo stesso cavo Ethernet.

Semplificare il layout dei cablaggi nell'automazione industriale

Molti impianti di automazione industriale sono progettati per una facile riconfigurazione. Ad esempio, in un impianto produttivo può essere necessario smontare una linea di assemblaggio per produrre un prodotto diverso. La combinazione di Ethernet con PoE aumenta la modularità di una fabbrica rendendo alcune apparecchiature quasi plug-and-play: basta inserire il cavo Ethernet per fornire sia la connettività di rete che l'alimentazione. Questo semplifica la configurazione della fabbrica, semplificando la posa dei cavi verso le apparecchiature.

Consente anche di risparmiare tempo nella progettazione dell'impianto e di abbassare il costo del cablaggio supplementare e della manodopera necessaria. Inoltre, fornendo una fonte di alimentazione centrale per ogni endpoint PoE - o dispositivo alimentato (PD) - sulla rete, la tecnologia PoE permette di avere un unico punto di manutenzione. Uno switch o un hub abilitato PoE può fornire in sicurezza fino a 90 W di potenza per ogni PD, sufficienti per telecamere, pannelli di controllo compatti e alcune apparecchiature di fabbrica come valvole o porte.

PoE libera anche spazio per l'eventuale cablaggio supplementare. La maggior parte dei fasci di cavi negli impianti industriali è limitata a circa 24 cavi per evitare problemi legati al calore. I cavi nello stesso fascio sono di solito stretti assieme con fascette per impieghi gravosi. Di conseguenza, tutti i cavi del fascio condividono e trattengono il calore di ciascuno contribuendo all'aumento della temperatura dell'intero fascio. Poiché la resistenza aumenta con la temperatura, la perdita di potenza e segnale dovuta al calore diminuirà l'efficienza energetica di ogni cavo nel fascio. PoE elimina molti dei cavi di alimentazione utilizzati nell'automazione industriale, di conseguenza è possibile predisporre fasci con meno cavi e ridurre il calore, prevenendo il deterioramento del segnale nei doppini intrecciati Ethernet. Questo migliora anche l'efficienza per il trasporto dell'energia alle apparecchiature.

Attualmente esistono tre standard per l'erogazione PoE su cavi Ethernet Cat5e standard: 802.3af può fornire fino a 15,4 W di potenza in c.c. dall'apparecchiatura di alimentazione a ogni PD; 802.3at (PoE+) fornisce fino a 25,5 W; mentre lo standard più recente, 802.3bt (PoE++), può fornire fino a 60 W sempre sullo stesso tipo di cavo. 802.3bt può anche supportare fino a 90 W di potenza con cavi Cat6 o Cat6a, grazie ai loro conduttori di spessore maggiore. Tutti gli standard sono retrocompatibili.

Aggiunta di Ethernet e PoE a un nuovo impianto di automazione industriale

Il modo più semplice per aggiungere PoE quando si realizza una nuova rete è quello di incorporare switch Ethernet che supportano tale funzionalità. Una soluzione agevole è offerta dallo switch Ethernet PoE HES5A-4E60-VL di Henrich Electronics, a cinque porte, su guida DIN, non gestito (Figura 1).

Figura 1: Lo switch Ethernet HES5A-4E60 di Henrich Electronics è dotato di cinque porte Ethernet, quattro delle quali supportano lo standard 802.3bt PoE++. (Immagine per gentile concessione di Henrich Electronics)

Lo switch Ethernet non gestito HES5A-4E60 di Henrich Electronics è montabile su guida DIN standard o a pannello. È compatto (solo 92x116x67,2 mm), quindi adatto per installazioni in spazi ristretti. HES5A-4E60-VL è dotato di cinque porte Ethernet sul pannello anteriore. Una è una 10/100Base-T standard e quattro sono Ethernet PoE++ in grado di fornire fino a 60 W di potenza a ogni PD. Utilizzando cavi Cat6/a, HES5A-4E60-VL è in grado di fornire fino a 90 W. Vanta un grado di protezione IP40 e può funzionare tra -40 °C e +60 °C, quindi è adatto alla maggior parte degli impianti di automazione industriale.

HES5A-4E60-VL è anche retrocompatibile con i precedenti standard PoE 802.3af e 802.3at che supportano rispettivamente 15,4 W e 25,5 W per endpoint.

Quando un cavo viene inserito in una delle sue quattro porte Ethernet PoE++, HES5A-4E60-VL avvia un breve protocollo di handshaking PoE con il PD. Serve a stabilire se l'endpoint richiede alimentazione PoE e, in caso affermativo, quanta potenza richiede. Questo permette allo switch PoE di applicare in modo sicuro ed efficiente la potenza richiesta all'endpoint Ethernet e di scollegare in modo sicuro l'alimentazione dal PD se il cavo Ethernet viene scollegato o se l'endpoint smette di rispondere. Se un PD è alimentato correttamente, sullo switch si illumina una spia LED corrispondente a tale porta per indicare che la porta sta ricevendo alimentazione. Questo aiuta anche nella diagnosi di eventuali problemi di alimentazione. Ad esempio, se un PD non sta funzionando e la corrispondente spia PoE è spenta, potrebbe significare che un cavo è danneggiato o scollegato, o anche che l'endpoint non sta completando correttamente l'handshake PoE.

HES5A-4E60-VL è uno switch non gestito, ossia plug-and-play. Non appena un cavo Ethernet viene collegato a una delle sue cinque porte, lo switch richiede l'indirizzo MAC Ethernet dell'endpoint. HES5A-4E60-VL dispone di una tabella MAC con 1024 voci per la memorizzazione di indirizzi MAC noti che puntano a indirizzi IP. Se l'indirizzo MAC non è nella tabella, gli viene assegnato un nuovo indirizzo IP. Se invece è presente, da quella voce viene letto l'indirizzo IP e assegnato all'endpoint. Lo switch non richiede configurazione o gestione di alcun tipo.

Per reti di automazione industriale più sofisticate, Henrich Electronics offre lo switch Ethernet PoE+ gestito a sei porte, su guida DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW (Figura 2). Questo switch Ethernet con grado di protezione IP30 vanta una temperatura di funzionamento nominale su un ampio intervallo da -40 °C a +75 °C, che lo rende idoneo per ambienti industriali asciutti e privi di polvere, che possono accusare temperature estreme troppo inospitali per una lunga esposizione umana.

Ha una tabella MAC di 4096 voci e supporta 10/100/1000Base-T, quindi compatibile con l'ultimo standard Gigabit Ethernet. Supporta fino a 30 W di potenza per ogni PD.

Figura 2: Lo switch Ethernet HES6GM-4E-2SFP-VLW su guida DIN di Henrich Electronics è dotato di sei porte Ethernet, quattro delle quali supportano lo standard PoE+. Può essere configurato da un browser Web per impostare allarmi e avvisi per varie operazioni. (Immagine per gentile concessione di Henrich Electronics)

La serie HES6GM-4E può essere montata su guida DIN o a pannello. È uno switch gestito e quindi può essere completamente plug-and-play come HES5A-4E60, oppure può anche essere configurato utilizzando un browser Web da un PC collegato a una qualsiasi delle sue porte Ethernet. La sicurezza autorizza l'accesso all'interfaccia del browser Web a un massimo di dieci indirizzi IP. Altre caratteristiche dell'interfaccia di configurazione includono gli avvisi automatici via e-mail per problemi di sicurezza, l'impostazione dei parametri del Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), il controllo del traffico basato sulle porte e la limitazione, l'inoltro delle porte e l'accesso al registro di sistema. L'interfaccia del browser può anche accedere alla tabella MAC di 4096 voci per rivederle, modificarle o cancellarle.

Cablaggio per ambienti industriali difficili

Gli ambienti industriali possono registrare temperature molto elevate ed essere esposti a liquidi, dall'acqua salata, all'olio, alla benzina che possono corrodere superfici non protette. Per il cablaggio, un costante maltrattamento fisico come l'essere tirato attorno ad angoli vivi o schiacciato dalle ruote dei camion, può danneggiare la schermatura o, in casi estremi, rompere i conduttori che trasportano dati e corrente. Occorre quindi far ricorso a cavi industriali per impiego gravoso costruiti appositamente per resistere a questi maltrattamenti. Inoltre, per gestire sia il segnale che l'alimentazione, PoE richiede cavi di alta qualità. A tale scopo occorre un cavo a quattro doppini intrecciati. La sezione del conduttore non deve essere inferiore a 24 AWG per ridurre al minimo il surriscaldamento in modo da mantenere un rendimento sufficiente a trasportare 60 W per cavo.

Per gli ambienti più estremi, Samtec Inc. ha introdotto il cavo assemblato Ethernet Cat5e RCE-01-G-13.00-D (Figura 3). Questo cavo di 13 metri è costituito da quattro doppini intrecciati: due per i dati e due per l'alimentazione PoE.

Figura 3: Il cavo assemblato Cat5e RCE-01-G-13.00-D di Samtec Inc. offre un grado di protezione IP68. Sia il cavo che i connettori RJ45 possono resistere agli ambienti industriali più difficili. (Immagine per gentile concessione di Samtec Inc.)

Ogni connettore RJ45 maschio ha una struttura rettangolare salvaspazio ed è sigillato contro polvere e liquidi. I connettori utilizzano un meccanismo di bloccaggio a pressione che, se inserito correttamente, genera un clic udibile. Questi meccanismi sono progettati per essere facilmente rimovibili con il minimo sforzo.

Il cavo Cat5e RCE-01-G-13.00-D utilizza conduttori da 24 AWG che lo rendono adatto all'alimentazione secondo gli standard 802.3af e 802.3at.

Conclusione

L'introduzione di switch Ethernet in grado di gestire l'alimentazione ha semplificato l'uso della tecnologia PoE. La scelta dello switch Ethernet PoE appropriato per un'applicazione di automazione industriale può far risparmiare tempo e costi, fornendo inoltre un'alimentazione sicura ed efficiente e una connettività di rete affidabile sullo stesso cavo.