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Blog: Single-pair Ethernet – Implementazione e caratteristiche

Parte 2: Percorsi di transizione in diversi settori

Anche se 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. Quando si esamina la base installata attuale, nel settore sono presenti una grande varietà di bus di campo (vedere la tabella riportata di seguito) e reti di sensori.

Bus di campoVelocità di trasmissioneDistanza max.
Automazione industriale
AS-Interface125kbit100m
Interbus500kBd ... 2Mbitfino a 400 m
Profibus DP9,6kBd .. 12 Mbit100m .. 1200m
CANopen62,5 kBd .. 1 Mbit30m .. 1000m
DeviceNet125kBd ... 500kBd ...100 .. 500m
CompoNetfino a 4 Mbit1500 m (a 93 kBd)
CC-Linkfino a 10 MBd100m
IO-Link250kBd20m
Automazione di processo
Profibus PA31,25kBd1900m
HART1,2kBd1500 .. 3000m
(a seconda del cavo)

Distanza e velocità di trasmissione delle attuali tecnologie bus di campo nei sensori e nelle periferiche

La tabella mostra una combinazione di bus di campo in funzione nell’automazione di processo e industriale. Di conseguenza, oggi vengono implementati requisiti di velocità e distanza diversi. Questi requisiti definiscono le specifiche che devono essere supportate da qualsiasi tecnologia riportata di seguito. In alto si trova l’area Ex nell’automazione di processo con requisiti specifici per la sicurezza intrinseca. La connessione alle attuali reti di livello superiore nelle installazioni già esistenti comporta alcuni svantaggi:

  • necessità di gateway tra la “vecchia” installazione e le nuove reti Ethernet
  • in alcuni casi non sono disponibili funzioni di diagnosi e parametrizzazione
  • la velocità di trasmissione e il tempo di ciclo di alcune reti correnti limitano le prestazioni
  • gli sforzi di manutenzione e supporto aumentano per continuare ad applicare il “vecchio” know-how
  • costo di installazione per supportare la configurazione e l’attrezzatura di più fornitori
  • aumento dei costi di magazzino e disponibilità messa a dura prova da potenziali scenari di fine vita

In effetti, non tutti gli standard di bus di campo elencati sono profondamente interessati dagli svantaggi precedentemente elencati e alcuni, come IO-Link, sono solo in fase di crescita. Ma è chiaro che la richiesta di intervento e la pressione del mercato sono diverse nelle industrie a seconda della portata di utilizzo delle vecchie tecnologie negli impianti.

Hilscher prevede che l’adozione e l’implementazione della tecnologia SPE nel settore dell’automazione di processo avvengano in tempi brevi a partire dal 2021. Il motivo è che le installazioni si basano in larga misura su HART, PROFIBUS PA e bus di campo simili, al momento non sufficientemente adatti a supportare modelli di business digitali. L’associazione Namur e in particolare il FieldComm Group, insieme a PROFIBUS International (PI) e ODVA, guidano fortemente il passaggio all’APL per i settori dell’automazione di processo. Le applicazioni in queste aree hanno in genere requisiti di prestazioni e tempi di ciclo inferiori e l’implementazione della diagnosi e della parametrizzazione attraverso la rete non è ancora avvenuta tanto quanto nelle applicazioni di automazione industriale. D’altra parte, l’implementazione della tecnologia SPE nell’automazione industriale potrebbe richiedere un po’ più di tempo. Organizzazioni come l’ODVA, PI e il gruppo IO-Link hanno avviato attività per valutare l’integrazione di SPE nei rispettivi standard, esaminando il posizionamento e i vantaggi nelle loro applicazioni. Parallelamente, ci sono due gruppi molto attivi che propongono spine, connettori e cablaggi diversi per l’installazione. Considerando tutte queste iniziative molto produttive e le numerose domande aperte che esse affrontano, un’implementazione sul campo nell’automazione industriale potrebbe iniziare intorno al 2024.

In conclusione, riteniamo che nelle aree dell’industria manifatturiera, in cui le apparecchiature non sono ancora trasparenti ai livelli superiori in termini di stato, diagnosi e parametrizzazione, le prestazioni complessive del sistema siano carenti e i vantaggi della digitalizzazione, quali aumento dei tempi di attività delle macchine, disponibilità, la manutenzione predittiva, ecc., non si materializzeranno. Pertanto, ci si aspetta che la pressione nell’industria di processo per agire e procedere il più rapidamente possibile sia molto più elevata.

 

Panoramica su Single-pair Ethernet

Ci si potrebbe chiedere come mai non si sia optato già in precedenza per un singolo doppino ritorto, in quanto l’idea di base appare relativamente semplice e i potenziali benefici sembrano piuttosto ovvi. Tuttavia, il cambiamento rispetto a una rete Ethernet esistente non è semplice come un cambio di un cavo. È altresì necessario aggiungere una serie di requisiti per ottenere i benefici attesi per i diversi settori.

Strato fisico diverso

L’attuale Industrial Ethernet 10Base-T/100Base-TX, che è lo standard più implementato e adattato nel settore, utilizza due cavi a doppino intrecciato per la trasmissione e la ricezione unidirezionali dei dati. Pertanto, in questo caso, una singola coppia Ethernet trasmette e riceve tramite nella stessa coppia intrecciata e richiede quindi un diverso strato fisico, nonché diversi accoppiamenti e trasduttori.

Vari requisiti per la tecnologia SPE
Trasmissione a lunga distanza

In particolare, i sensori, gli attuatori e altri dispositivi di campo periferici nell’automazione industriale richiedono una lunghezza del cavo molto maggiore tra loro. Di conseguenza, è arrivata una forte richiesta per migliorare la distanza dei cavi tra le stazioni fino a 1000 m, rispetto ai 100 m specificati disponibili oggi in 100Base-TX.

Sicurezza intrinseca

Un altro aspetto è emerso dal campo dell’automazione di processo Oltre ai requisiti per le lunghe distanze, è necessaria una trasmissione intrinsecamente sicura per supportare le aree Ex e le aree pericolose.

Trasmissione di potenza

In molti degli attuali bus di campo di comunicazione dei sensori, è possibile una trasmissione di potenza tramite il cavo di comunicazione. Pertanto, il cavo a coppia intrecciata singolo deve trasportare anche l’alimentazione necessaria per consentire l’alimentazione di sensori e attuatori remoti.

Richiesta di larghezza di banda specifica per l’applicazione

Oltre ai dispositivi e ai sensori a livello di campo che sono ben coperti dalla loro richiesta di larghezza di banda con velocità di trasmissione di 10 Mbit, l’idea era di implementare SPE in applicazioni a larghezza di banda più elevata. Pertanto, l’IEEE ha definito anche standard adatti per la visione, il movimento o l’interfaccia operatore, inclusi gli strati fisici.

Standardizzazione IEEE e applicazioni correlate

Tutti questi requisiti e input hanno portato a diversi standard IEEE per SPE nelle diverse velocità di trasmissione, come mostrato nella tabella seguente:

Standard IEEEStandard PHYVelocità di trasmissioneLarghezza di banda del cavoLunghezza del cavoApplicazioni
IEEE802.3 cg10Base-T1L10Mbit20MHz1000m
(STP)
Sensori, attuatori e periferiche, controlli macchina, reti di treni e bus, building automation
10Base-T1S10Mbit20MHz15 m (UTP)
25 m (STP)
Installazione in armadi (senza PoDL) semi duplex
APL10Mbit 1000m
(STP)
Apparecchiature a sicurezza intrinseca ed Ex
IEEE802.3 bw(Tecnologia BroadR-Reach)100Mbit166MHz15 m (UTP)
40 m (STP)
Settore automobilistico
IEEE802.3 bp 1000Mbit600MHz15 m (UTP)
40 m (STP)
HMI, IPC, telecamera, movimento e robotica
Canale IEEE802.3 2,5/5/10 Gbit4-5 GHz15 m (STP)Rilevamento visivo, IPC, HMI, analisi, sistemi medicali
IEEE802.3 bu    Power over Dataline (PoDL per SPE, trasmissione di potenza max. 60 W

Panoramica dei diversi standard correlati a SPE

La tabella “Panoramica dei diversi standard correlati a SPE” mostra una suddivisione in tre definizioni per lo standard Single-Pair Ethernet da 10 Mbit IEEE 802.3cg allo scopo di riflettere le diverse esigenze e richieste delle diverse applicazioni di sensori, attuatori e periferiche. Il modello 10Base-T1L è più adatto per i requisiti dei sensori, in quanto consente una lunghezza del cavo fino a 1000 m in un collegamento point-2-point e si adatta molto bene alle installazioni attuali.

In termini di definizione del livello fisico, l’APL è esattamente uguale a T1L, ma aggiunge, nei casi previsti, i componenti per trasmissioni intrinsecamente sicure nell’area Ex. Il 10Base-T1S consente, al contrario di T1L, una configurazione multi-drop con cavi di lunghezza molto inferiore e un diverso strato PHY chiamato PLCA (prevenzione delle collisioni dello strato fisico). Multi-drop è adatto ad esempio per installazioni di armadi o altre applicazioni a corto raggio. Entrambi i sistemi richiedono uno strato fisico diverso, come mostrato nella figura e nella tabella seguente:

 

10Base-T1S

10Base-T1L

Velocità di trasmissione12.5MBit7.5MBit
 multi-drop half-duplexfull duplex
  cancellazione eco
Codifica di lineaDMEPAM-3
Codifica del segnale4B5B4B3T
Tensione1Vpp1Vpp (2.4Vpp)

 

PHY connection to upper layer host system

Although the physical layer differs to some details, that connection to the upper layers is the same. The IEEE has taken effort to make sure that any actual system with a MAC and an MII connection can interface to the actual new PHY so that the major change remains in only one OSI layer. The following picture shows the set-up:

System set-up of a point-to-point connection with power distribution

On top of this, the 802.3bu standard has defined a standardized transmission of power over the data line and it is capable to transmit up to 50W to the single endpoint. This feature allows backward compatibility to several existing sensor network standards that also power the connected sensor from a central power controller. The set-up in SPE is as follows:

Il sistema richiede un dispositivo di alimentazione (PSE) per erogare energia tramite il cavo. Sono definite tre diverse tensioni collegate all’alimentazione specificata. Sul lato del ricevitore, il dispositivo alimentato (PD) nel caso sopra riportato può essere erogato un massimo di 50 W a 48 V in un collegamento T1L point-to-point. A 24 V è ancora di max. 10 W con PSE regolamentato. Il sistema è ampiamente compatibile con la topologia trunk e spur nelle reti di automazione di processo.

La standardizzazione di Single-Pair Ethernet, allo stato attuale, è particolarmente adatta per soddisfare la domanda dei requisiti di automazione industriale. Poiché la tecnologia dello strato fisico è già in uso in alcuni aspetti diversi nel settore automobilistico, gli utenti industriali, quando iniziano le implementazioni, possono fare affidamento su una tecnologia fisica già collaudata sul campo. Tuttavia, c’è ancora molta strada da fare per incorporare SPE negli standard Ethernet effettivi, in particolare nell’ambiente di automazione industriale. Dal punto di vista dell’installazione del sistema, una rete IP in ogni sensore consente di configurare e mantenere i sensori sul campo con un ambiente di strumenti indipendente dal fornitore. Dal punto di vista dell’installazione del sistema, una rete IP in ogni sensore consente di configurare e mantenere i sensori sul campo con un ambiente di strumenti indipendente dal fornitore.

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

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Parte 3 della nostra serie di blog su SPE: Le reti di automazione industriale sono già oggi ampiamente basate sugli standard Ethernet. Tuttavia, l’adozione di Ethernet nel campo dell’automazione dei processi è ancora in corso. In che modo SPE influisce su queste due aree industriali?

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