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Industrial Ethernet come alternativa robusta e deterministica a Ethernet standard

Di Bill Giovino

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Ethernet è lo standard di rete cablata più utilizzato per le reti locali (LAN) e le reti geografiche (WAN). Anche se la comunicazione Ethernet standard spesso sembra istantanea, in realtà non esiste alcuna garanzia che i pacchetti di dati inviati attraverso la rete arrivino alla porta di destinazione entro il tempo fisso specificato.

Nelle applicazioni industriali, questo non determinismo può essere un problema perché il ritardo di un messaggio può causare l'arresto della linea di produzione o incidenti al personale. Per assicurare questo determinismo, è possibile utilizzare una versione "industriale" modificata di Ethernet.

Questo articolo illustra gli elementi chiave di Industrial Ethernet e prende in esame due switch Ethernet di Delta Electronics che possono costituire la base di una rete Industrial Ethernet deterministica.

La necessità di determinismo in Ethernet

Ethernet è uno standard di rete fisica che definisce i cavi e i connettori fisici utilizzati per trasmettere pacchetti di dati attraverso una rete. Ethernet standard utilizza la suite di protocolli TCP/IP per definire la modalità con cui avviene lo scambio di dati tra i dispositivi collegati alla rete. Tuttavia, anche in una rete locale, TCP/IP è "non deterministico" e può introdurre ritardi anche di centinaia di millisecondi. Ritardi di questo genere sono inaccettabili per le reti industriali locali che collegano i sistemi di automazione industriale. Questi sistemi dipendono spesso dall'arrivo di pacchetti, o messaggi, entro una determinata finestra temporale e richiedono tempi di risposta rapidi anche 10 ms, o in alcuni casi estremi, inferiori a 1 ms.

Profinet è un altro diffuso formato di frame Ethernet (chiamato anche protocollo di comunicazione) utilizzato nelle reti industriali, sviluppato come alternativa più semplice a TCP/IP completo. Una sua versione in tempo reale, Profinet RT, dà la priorità ai dati per poter consegnare i messaggi di controllo di processo ad alta priorità con vincoli temporali più rigidi. I messaggi di stato meno vincolati in termini di tempo acquisiscono una priorità più bassa. Ma anche Profibus RT è non deterministico. Per assicurare il determinismo, è stata sviluppata anche una versione isocrona di Profinet RT (Profinet IRT).

Profinet IRT raggiunge il determinismo sovrapponendo gli slot temporali programmati sulla larghezza di banda della rete: i dati IRT utilizzano uno slot e i dati RT e IP utilizzano l'altro slot. In questo modo, i dispositivi sullo slot IRT possono essere temporizzati per ricevere i dati in modo deterministico.

È importante notare che se una rete Industrial Ethernet è basata su un protocollo di comunicazione deterministico come Profinet IRT, anche tutti i dispositivi collegati alla rete devono essere compatibili con Profinet IRT. Di conseguenza, dispositivi TCP/IP tipici come le telecamere IP e i firewall hardware sulla rete non funzionano. Questo garantisce un livello di sicurezza, impedendo al personale di utilizzare dispositivi non autorizzati sulla rete.

Passare da hub Ethernet a switch rinforzati

Un hub Ethernet funge da ripetitore, il che lo rende intrinsecamente non deterministico. I pacchetti di dati ricevuti da una singola porta vengono inoltrati a tutte le altre porte della rete dell'hub. Quindi, se a un hub sono collegate 25 porte e la porta 3 invia pacchetti di dati destinati alla porta 22, l'hub invierà i pacchetti di dati a tutte le porte, non solo alla porta 22. Poiché tutte le porte collegate all'hub condividono la stessa larghezza di banda, quando all'hub ne vengono aggiunte altre si trovano tutte a competere per ottenere quella larghezza di banda. Questo aumenta la probabilità di collisioni, ritardando i pacchetti e rendendo impossibile raggiungere il determinismo. Inoltre, a seguito di questa impostazione, un hub può inviare un solo messaggio alla volta. Se un'altra porta ha bisogno di inviare dati, deve attendere che la rete sia libera. Per questo motivo gli hub Ethernet sono intrinsecamente non deterministici.

Uno switch di rete Ethernet, invece, è un dispositivo intelligente. Memorizza l'indirizzo MAC (Media Access Control) univoco di tutti i dispositivi collegati allo switch in una tabella interna di indirizzi MAC, di solito nella RAM ad alta velocità. Dato che lo switch conosce l'indirizzo MAC di ogni dispositivo ad esso collegato, può inoltrare i pacchetti di dati solo alla porta alla quale i dati sono destinati. Quindi, se la porta 3 invia pacchetti di dati alla porta 22, l'hub invierà questi pacchetti solo alla porta 22.

Uno switch può gestire contemporaneamente più comunicazioni dati. Di conseguenza, la porta 3 può inviare dati alla porta 22 nello stesso momento in cui la porta 4 sta inviando pacchetti di dati alla porta 7. In tal modo vengono eliminate le collisioni intrinseche degli hub Ethernet, aumentando allo stesso tempo la velocità, l'efficienza e il throughput di tutta la rete. Poiché l'unico ritardo è la velocità di commutazione nota dello switch (come specificato nella scheda tecnica dello switch), quando si costruisce una rete Ethernet deterministica sono richiesti degli switch di rete.

Uno switch di rete offre inoltre un maggiore livello di sicurezza. Dal momento che una porta riceve solo i pacchetti di dati ad essa destinati, la rete non può essere monitorata da un dispositivo collegato a una porta.

Gli switch per Industrial Ethernet sono anche più robusti degli switch Ethernet commerciali. Gli switch commerciali sono idonei per impieghi domestici o in attività non gravose, mentre quelli Industrial Ethernet sono in grado di sopportare ambienti di fabbrica difficili e possono resistere a vibrazioni e urti più elevati e a temperature estreme. Inoltre, gli switch Industrial Ethernet sono progettati per un utilizzo sicuro in presenza di gas esplosivi e sono resistenti ad atmosfere corrosive.

Ethernet su guide DIN

Un esempio tipico di switch Industrial Ethernet è rappresentato da DVS-005W01 per montaggio su guida DIN a 5 porte di Delta Electronics (Figura 1).

Immagine dello switch Industrial Ethernet DVS-005W01 di Delta ElectronicsFigura 1: Lo switch Industrial Ethernet DVS-005W01 di Delta Electronics è uno switch rinforzato in grado di sopportare ambienti industriali difficili. Supporta cinque porte Ethernet ed è classificato IP40. (Immagine per gentile concessione di Delta Electronics)

Come qualsiasi switch Ethernet, DVS-005W01 trasmette i pacchetti di dati solo alle porte riceventi. Supporta velocità di trasmissione 100Base-T fino a 100 Mbit/s. La tabella degli indirizzi MAC supporta 1024 voci ed è disponibile una memoria buffer di pacchetti da 512 kbit per archiviare i pacchetti inoltrati. Inoltre, mentre gli switch e gli hub commerciali utilizzano un singolo alimentatore, DVS-005W01 ha due ingressi di alimentazione ridondanti da 12 a 48 V. Se un alimentatore ha un guasto, è facile attivarne un secondo di backup senza dover aggiungere hardware esterno.

DVS-005W01 supporta una velocità di commutazione interna di 1 Gbps, che è la velocità interna dello switch di rete durante l'elaborazione dei pacchetti di dati in entrata e in uscita. Questa è una specifica importante per un comportamento deterministico, in quanto maggiore è la velocità di commutazione, più breve è il ritardo.

Per reti industriali più complesse, Delta Electronics fornisce anche lo switch Ethernet DVS-016W01 a 16 porte (Figura 2).

Immagine dello switch Industrial Ethernet DVS-016W01 di Delta ElectronicsFigura 2: DVS-016W01 di Delta Electronics supporta 16 porte Ethernet e può essere montato su una guida DIN o a parete. (Immagine per gentile concessione di Delta Electronics)

DVS-016W01 ha una tabella degli indirizzi MAC che supporta 8192 voci e una memoria buffer di pacchetti da 1 Mbit. Supporta una velocità di commutazione interna di 3,2 Gbps.

Entrambi gli switch a 5 e 16 porte di Delta Electronics sono switch non gestiti, il che significa che sono fondamentalmente plug and play. Ogni volta che un dispositivo di rete viene inserito in una delle porte, lo switch rileva automaticamente l'indirizzo MAC del dispositivo e lo memorizza nella tabella interna degli indirizzi MAC. Il rilevamento automatico degli indirizzi MAC viene eseguito anche a ogni ciclo di accensione e spegnimento dello switch. Gli switch gestiti hanno più funzioni di controllo del traffico per porta, che devono essere configurate al momento dell'installazione.

A corredo degli switch, sono disponibili cavi industriali per Ethernet con grado di protezione IP67 o IP68. Questi cavi per Ethernet sono destinati a un impiego gravoso e possono resistere a temperature calde e fredde estreme, solventi corrosivi, immersione in acqua e altri usi impropri. I cavi per Industrial Ethernet sono anche più resistenti alle forze di piegatura, torsione, stiramento e impatto a cui possono essere soggetti i cavi nelle fabbriche.

Conclusione

Le applicazioni di automazione industriale hanno requisiti di latenza di comunicazione, determinismo e robustezza hardware che vanno ben oltre le capacità di Ethernet standard. Tuttavia, come è stato dimostrato, i progettisti e gli ingegneri delle operazioni di linea possono rivolgersi a Ethernet di grado industriale utilizzando protocolli di comunicazione deterministici e switch e cablaggio di serie.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Bill Giovino

Bill Giovino è un ingegnere elettronico con un BSEE ottenuto a Syracuse University, ed è uno dei pochi ad essere passati con successo da progettista, a ingegnere delle applicazioni sul campo, al marketing tecnologico.

Da oltre 25 anni, Bill promuove le nuove tecnologie per un pubblico tecnico e non tecnico a nome di molte aziende, tra cui STMicroelectronics, Intel e Maxim Integrated. In STMicroelectronics, Bill ha contribuito a guidare i primi successi dell'azienda nel settore dei microcontroller. Con Infineon, Bill ha orchestrato i primi successi di progettazione di microcontroller dell'azienda nel settore automotive statunitense. In qualità di consulente di marketing per la sua società CPU Technologies, Bill ha aiutato molte aziende a trasformare prodotti di secondo grado in storie di successo.

Bill è stato uno dei primi ad adottare l'Internet delle cose, compresa l'integrazione del primo stack TCP/IP completo su un microcontroller. Bill è fedele al motto "Le vendite guidate dall'educazione" e tiene molto alla crescente importanza di comunicazioni chiare e ben scritte nella promozione di prodotti online. È moderatore del famoso gruppo Sales & Marketing di LinkedIn Semiconductor e parla correntemente di B2E.

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