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Blog: Single-pair Ethernet – Accesso cloud ottimizzato a sensori e periferiche

Parte 1: SPE - Un’introduzione

Single-pair Ethernet, come nuova iniziativa per abilitare le reti basate su IP fino a ciascun sensore, aggiunge valore attraverso un cablaggio più sottile, connettori maschio e spine a ingombro ridotto e requisiti di spazio ridotti. Per questo motivo, è adatto per sostituire numerosi bus di campo esistenti nell’area del sensore e delle periferiche, integrando i sensori direttamente nei sistemi IT e Cloud.


Nulla ha spinto la digitalizzazione nella nostra vita quotidiana quanto i cambiamenti radicali nelle nostre zone di comfort, come è accaduto per esempio nella pandemia da Covid-19. All’improvviso, strumenti e metodi fino ad allora parzialmente utilizzati in ambito professionale, come videoconferenze, riunioni online e corsi di formazione, sono diventati parte della nostra nuova normalità. Se questo improvviso aumento della domanda di ecosistemi e servizi digitali poteva essere definito una rivoluzione, la digitalizzazione dell’industria manifatturiera ha richiesto molto più tempo per crescere. Dopo diversi anni di attività governative è in corso, dimostrando i vantaggi nei proof-of-concepts ed elevando gli standard. Tuttavia, il desiderio di avere una comunicazione fluida da sensore a cloud, come richiesto per modelli di business come la manutenzione predittiva e la qualità o la robotica intelligente, continua ad affrontare alcune lacune nell’infrastruttura di rete.

Single-Pair Ethernet, come nuova iniziativa per abilitare le reti basate su IP fino a ciascun sensore, aggiunge valore attraverso un cablaggio più sottile, connettori maschio e spine a ingombro ridotto e requisiti di spazio ridotti. Per questo motivo, è adatta per sostituire numerosi bus di campo esistenti nell’area del sensore e delle periferiche, integrando i sensori direttamente nei sistemi IT e Cloud.

Hilscher si aspetta nel 2021 un’adozione nell’industria di processo. Si prevede che i settori discreti seguiranno verso il 2025, poiché l’infrastruttura Ethernet e in particolare IO-Link risolvono già numerose sfide nella digitalizzazione.

Dal punto di vista di Hilscher, non vi è dubbio che la tecnologia SPE sarà adottata e assumerà quote di mercato nel lungo periodo. La nostra famiglia di processori di rete netX offre l’opportunità di adottare facilmente l’infrastruttura SPE e di creare gateway dall’infrastruttura di rete esistente a SPE per consentire un percorso di migrazione.

Questa serie di blog discute lo stato e i progressi di Single-Pair Ethernet dal punto di vista di Hilscher.

Progressi e vantaggi della digitalizzazione

Nonostante sia definita “quarta rivoluzione industriale”, l’industria manifatturiera ha iniziato il suo viaggio nell’era della digitalizzazione già nel 2011. Le iniziative intitolate “Plattform industrie 4.0”, “Industrial Internet Consortium” o “Made in China 2025” erano volte a posizionare e finanziare programmi per utilizzare metodi e tecniche digitali allo scopo di migliorare complessivamente le prestazioni degli impianti di produzione. Diverse società di consulenza globale hanno analizzato e definito tutto ciò “un'opportunità rivoluzionaria, per cogliere trilioni di dollari" (Accenture, 2015).

Un “nuovo paradigma industriale” è diventato visibile con la “necessità di una maggiore intelligenza nei sistemi embedded e nella creazione di valore attraverso i servizi intelligenti” e i fattori chiave di successo sono l’analisi avanzata per le attività di produzione predittiva e la trasparenza dei processi” (Capgemini, 2015). Un’analisi di McKinsey, sempre nel 2015, basata su 100 interviste con aziende industriali, ha concluso in modo analogo che “le tecnologie dirompenti consentiranno la digitalizzazione del settore manifatturiero” ed elenca, tra l’altro, tecnologie cloud, advanced analytics, interfaccia grafica touch e di livello successivo, realtà virtuale e aumentata, robotica avanzata e produzione additiva. Sulla base di una serie di istituti di ricerca, hanno concluso di considerare i fattori trainanti come riportato nel grafico a destra:

Pertanto, le aspettative sembrano essere piuttosto elevate e il potenziale effettivamente enorme, ma nonostante le numerose verifiche teoriche condotte, ad esempio, dall’Industrial Internet Consortium, resta la sfida di come consentire la creazione di reti verticali di sistemi di produzione intelligenti dal reparto di produzione ai sistemi IT.

Oggi, dopo diversi anni di ricerca, ci troviamo di fronte a una comprensione molto più mirata e comunemente condivisa delle esigenze e dei vantaggi della digitalizzazione nel settore manifatturiero. Tecnicamente, OPC UA è diventato lo standard più comune per aiutare a risolvere la sfida semantica verticale tra mondo IT e mondo OT. Sul versante aziendale, diverse organizzazioni portano avanti iniziative che consentono l'aggiunta di valore per i sistemi di produzione nei vari settori, simili a quelli previsti nel 2015. Noi di Hilscher coinvolgiamo e guidiamo programmi e modelli di business nell’Open Industry 4.0 Alliance.

Supportiamo un ecosistema aperto e condiviso per offrire comunemente valore ai clienti in collaborazione con una grande rete di partner attraverso i nostri prodotti e servizi netFIELD. Tuttavia, la connessione dei servizi cloud al livello dei sensori è ancora una sfida e un’opportunità per risolvere l’accesso arriva dalla tecnologia Single-Pair Ethernet.

Reti industriali

A partire dall’inizio del 2000 e in parallelo a queste iniziative di digitalizzazione, l’industria ha adottato Industrial Ethernet come standard di comunicazione dominante in tutti i settori, sostituendo gradualmente i precedenti sistemi bus di campo come PROFIBUS, Interbus, CC-Link, Sercos o DeviceNet. Diverse varianti di Ethernet sono state standardizzate per supportare l’elevata richiesta di maggiore larghezza di banda e comunicazione deterministica in tempo reale, specificamente richieste nei settori correlati all’automazione industriale, come il settore automobilistico, degli imballaggi o nel food and beverage.

I diversi standard Ethernet sono gestiti da diverse aziende di automazione e hanno un diverso livello di richiesta di modifica dei livelli OSI su MAC e Link-layer per supportare la domanda in tempo reale. Alcuni protocolli si basano sul classico sistema Ethernet basato su TCP/IP, altri modificano i livelli 3 e 4 e altri richiedono hardware modificato per il Data Link Layer (livello di collegamento dati). Il più recente TSN (Time-Sensitive Networking) del sistema Real-Time Ethernet è in fase di rilascio finale da parte dell’IEEE per standardizzare le funzioni in tempo reale ai livelli 1, 2 e 3, al fine di avere una base hardware comune. Tutte le varianti Ethernet condividono la capacità di collegare in rete la fabbrica dal lato ufficio al reparto di produzione e migliorare le prestazioni complessive della produzione, la diagnosi e la disponibilità. Tuttavia, la complessità di Ethernet e della topologia di rete, come la catena a margherita o le reti commutate, ne ha limitato l’uso in periferiche come sensori e attuatori. Questa lacuna in un’infrastruttura di rete IP basata su Ethernet è ora risolta mediante la standardizzazione per Single-Pair Ethernet (SPE).

L’inizio della standardizzazione Ethernet basata su un singolo doppino intrecciato è nato dall’industria automobilistica. Nella loro rete a bordo veicolo, gli standard esistenti come CAN, MOST o FlexRay erano troppo costosi in termini di cablaggio e software. Quindi, con Ethernet, si è trovato uno standard comune per sostituirli gradualmente. Tuttavia, in confronto ai precedenti standard, lo sforzo necessario per il cablaggio Ethernet standard è stato elevato. Broadcom ha fatto un primo passo con BroadR Reach, per dimostrare che un semplice cavo a doppino intrecciato è sufficiente per fornire dati ad alta velocità su distanze più brevi. L’IEEE ha raccolto l’iniziativa di standardizzazione nell’ambito del noto standard Ethernet 802.3 e ha ampliato l’ambito di applicazione anche all’area industriale e all’edilizia per affrontare sfide simili. In effetti, i bus di campo menzionati sopra nello spazio industriale e i bus LON, BACnet o Modbus nella building automation sono in primo piano quando si indirizza una rete IP senza interruzioni a ciascun sensore.

Poiché l’integrazione verticale dai sensori al cloud è la base principale per i modelli di business digitali, i vantaggi di migliorare le reti IP per il sensore sono interessanti:

  • Maggiore visibilità, diagnosi e controllo
  • Accesso a tutte le apparecchiature di automazione attraverso un’unica semantica con OPC UA
  • Tool unici e comuni indipendenti dal fornitore
  • Maggiore robustezza e disponibilità
  • Abilitazione di qualità e manutenzione predittiva

La tecnologia Single-Pair Ethernet aggiunge valore grazie al cablaggio più sottile, alle spine e ai connettori a ingombro ridotto e ai requisiti di spazio ridotti. Per questo motivo, è adatta per sostituire numerosi bus di campo esistenti nell’area del sensore e delle periferiche. Tuttavia, una domanda fondamentale è come si realizzerà l’implementazione nelle diverse aree dell’automazione.

Riferimenti

Accenture (2015), Purdy, Davarzani, “The Growth Game-Changer: How the Industrial Internet of Things CAN drive Progress and Prosperity” (La rivoluzione della crescita: come l’Industrial Internet of Things PUÓ guidare il progresso e la prosperità”)

Capgemini (2015), Bechtold, Kern, Lauenstein, Bernhofer, “Industry 4.0 - The Capgemini Consulting View - Sharpening the Picture beyond the Hype” (Industria 4.0 - Il punto di vista di Capgemini Consulting - Mettere a fuoco l’immagine dietro l’hype”

Link correlati

Scoprite di più sul SPE nel nostro white paper di Niels Trapp! Cliccare sul link per scaricare il documento.

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Parte 2 della nostra serie di blog sulla tecnologia SPE: mentre l’idea di abilitare le reti basate su IP fino al livello del sensore è ovviamente vantaggiosa, la domanda è come SPE possa essere implementato nei dispositivi e nelle installazioni rilevanti.

Leggete l’articolo!

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