Connettività: la dorsale dell'automazione sostenibile

Tecnologie come SPE, PoDL ed Ethernet APL superano i limiti tradizionali della comunicazione industriale. Le interfacce avanzate per i segnali, i dati e l'energia elettrica sono essenziali in questo caso perché aiutano i fornitori di automazione a risparmiare risorse e costi nel collegamento in rete delle apparecchiature di produzione.

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La digitalizzazione e le reti di dati senza soluzione di continuità che penetrano nei processi aziendali fino al livello di produzione sul campo sono una tendenza duratura nella tecnologia dell'automazione. Si pongono come obiettivo quello di creare ambienti di produzione altamente flessibili che possano essere personalizzati per raggiungere un livello di diversificazione e produttività senza precedenti. A tal fine, il settore manifatturiero sta vivendo una trasformazione dirompente sotto l'ombrello di "Impresa 4.0", con l'uso sostenibile di tutte le risorse disponibili come uno degli aspetti più importanti.

Dal campo al cloud senza soluzione di continuità

La connettività senza soluzione di continuità tra macchine, prodotti e, in ultima istanza, persone è la caratteristica di questa trasformazione, che sta iniziando a penetrare in modo massiccio i confini tradizionali tra tecnologia operativa (OT) e tecnologia dell'informazione (IT). Con Industrial Ethernet, oggi è disponibile una tecnologia in grado di interconnettere senza problemi tramite TCP/IP anche i dispositivi di campo alle infrastrutture di dati basate su cloud delle aziende, a banda larga e a costi contenuti. A differenza dei fieldbus, Industrial Ethernet attraversa tutti i livelli di automazione, dall'inizio alla fine, dal dispositivo di campo al cloud. Gli operatori di fabbriche e impianti possono così accedere ai dati dei dispositivi in tempo reale e utilizzarli per la pianificazione della produzione, il controllo dei processi e l'analisi dei dati.

Industrial Ethernet consente, ad esempio, di acquisire e analizzare in tempo reale i dati provenienti da sensori, alimentatori o azionamenti. Le informazioni sulle variazioni di temperatura o sulle vibrazioni nei punti critici e i profili di carico consentono di trarre conclusioni per ottimizzare i parametri di processo, annunciando quando si prevedono situazioni di sovraccarico e segnalando tempestivamente la necessità di manutenzione. La manutenzione predittiva riveste una grande importanza in questo ambito, in quanto aiuta gli operatori a migliorare la disponibilità degli impianti e delle macchine, nonché a ridurre al minimo il consumo energetico e l'utilizzo delle risorse, il che, da un lato, riduce i costi operativi e, dall'altro, contribuisce in modo decisivo alla sostenibilità degli impianti di processo e di fabbrica.

Alternativa RJ45 robusta

La dorsale fisica di queste reti, in particolare di Industrial Ethernet, è una tecnologia di interconnessione ad alte prestazioni che consente una trasmissione affidabile di segnali e dati tra i vari nodi delle reti di automazione. Oltre alla robustezza fisica che richiedono nell'uso industriale, tali soluzioni si trovano oggi ad affrontare una serie di nuove sfide derivanti, ad esempio, dall'enorme quantità di nodi di rete, dalla loro miniaturizzazione o dall'elevata larghezza di banda di trasmissione. Tra questi, in particolare, fattori di forma compatti, riduzione dello sforzo di installazione e di cablaggio, elevata integrità del segnale - cioè una sofisticata schermatura contro le interferenze elettromagnetiche - e affidabilità su lunghe distanze di trasmissione. Quest'ultimo aspetto è particolarmente rilevante negli impianti estesi. Sempre più spesso è richiesta anche l'alimentazione di dispositivi che utilizzano connettori di dati.

L'interfaccia standard per la comunicazione Ethernet è il diffusissimo connettore RJ45. Gli utenti segnalano spesso problemi con i contatti o la rottura degli elementi di chiusura; RJ45 limita inoltre la miniaturizzazione a causa delle sue dimensioni. Invece, alternative come l'interfaccia ix Industrial del fornitore tedesco HARTING (Figura 1) sono sostanzialmente più piccole e molto più robuste, resistenti agli urti e alle vibrazioni. Secondo il produttore, è possibile un risparmio di spazio fino al 70% sul circuito stampato rispetto agli RJ45 standard. Il connettore schermato a 360° è progettato per la comunicazione Ethernet a 10 Gbit/s ed è compatibile con PoE (Power over Ethernet) e PoE+ per la trasmissione di energia.

Figura 1: I connettori di interfaccia ix Industrial per Industrial Ethernet di HARTING sono notevolmente più piccoli e più robusti dei connettori RJ45 standard. (Immagine per gentile concessione di HARTING)

ix Industrial è un'interfaccia sviluppata da HARTING in collaborazione con lo specialista giapponese di connettori Hirose. Le dimensioni, le proprietà elettriche e la codifica sono conformi allo standard IEC 61076-3-124. Anche altri produttori, come l'azienda statunitense Amphenol Communications Solutions, offrono prodotti con caratteristiche comparabili e interscambiabili con ix Industrial. Ad esempio, connettori push-pull per ambienti difficili con gradi di protezione IP65/66/67, connettori ix Mag con magneti integrati (Figura 2) o cavi assemblati Ethernet-RJ45 con connettori RJ45 angolati, che offrono sia funzionalità 100-Gbit Ethernet che PoE/PoE+.

Figura 2: ix Mag di Amphenol per la comunicazione Ethernet fino a 10 Gbit/s, schermatura a 360° e PoE++ fino a 90 W (Immagine per gentile concessione di Amphenol Communications Solutions)

Caso d'uso di ix Industrial

Il seguente esempio illustra l'enorme potenziale delle interfacce Ethernet miniaturizzate ad alte prestazioni per le applicazioni di Impresa 4.0:

Il sistema di trasporto lineare XTS di Beckhoff, specialista dell'automazione, è una soluzione che utilizza movimenti ad azionamento magnetico che viaggiano lungo un binario di moduli motore totalmente integrati. Secondo Beckhoff, il loro controllo indipendente che offre profili di movimento individuali è il punto di partenza di nuovi concetti di macchina per processi produttivi più flessibili con tempi di inattività più brevi, come ad esempio il riattrezzaggio.

Affinché i componenti mobili seguano il loro schema di movimento, un computer deve calcolare costantemente la commutazione e l'alimentazione di corrente dei rispettivi moduli motore. A questo scopo, è possibile combinare un totale di tre schede computer, ognuna delle quali in precedenza aveva quattro prese RJ45 come porte. Per il funzionamento di un maggior numero di componenti di movimento nell'ultima generazione del sistema XTS senza dover modificare le dimensioni del sistema, le prese RJ45 sono state sostituite dall'interfaccia ix Industrial di HARTING. I requisiti principali erano una schermatura affidabile e un'elevata velocità di trasmissione dati. A differenza di RJ45, ogni connettore ix Industrial consente due connessioni Ethernet da 100 Mbit/s. In questo modo è possibile montare sulla stessa scheda otto porte anziché quattro e installare due canali Ethernet per porta anziché uno.

Di conseguenza, sulle tre schede computer sono state implementate 48 porte invece di dodici. Con l'ultima generazione di XTS, è pertanto possibile utilizzare 48 linee XTS invece di dodici per unità, il che corrisponde a un aumento del 400% delle prestazioni del sistema di trasporto.

Due fili, invece di quattro o otto

Un attributo distintivo dell'odierna tecnologia di automazione industriale è la migrazione da architetture gerarchiche ad architetture decentralizzate. Queste sono considerate avanzate e particolarmente produttive e, inoltre, promettono una maggiore sicurezza della rete. Questo perché i nodi intelligenti, come i sensori intelligenti o gli edge computer, che sono in grado di eseguire autonomamente alcune attività di elaborazione dei dati, riducono il traffico di dati sensibili tra l'edge e il cloud. I vantaggi della decentralizzazione sono evidenti, ma il numero di dispositivi connessi sul campo sta crescendo enormemente, così come gli sforzi per il cablaggio e la connettività. Il loro uso economico, sia in termini di materiale e di impegno di installazione che di consumo energetico, sta diventando un criterio centrale per la sostenibilità degli impianti di produzione.

Single-Pair Ethernet (SPE) è considerata una svolta decisiva in termini di efficienza ed economicità. La tecnologia di comunicazione è definita dallo standard IEEE 802.3; ai rispettivi connettori si applica la serie di standard IEC 63171-x. In sostanza, consente di collegare i componenti sul campo tramite un solo doppino intrecciato, cioè due fili invece dei precedenti quattro o addirittura otto: un sistema a basso costo, efficiente dal punto di vista delle risorse e quindi estremamente sostenibile. Originariamente sviluppato per l'elettronica automotive, SPE soddisfa i requisiti di molti fornitori di automazione: una singola coppia di fili consente di integrare un gran numero di strumenti, controller e altri dispositivi nelle reti Ethernet con velocità di trasmissione dati pari ai gigabit (Figura 3).

Figura 3: Single-Pair Ethernet consente di integrare il livello di campo nella comunicazione Ethernet a banda larga in modo efficiente dal punto di vista delle risorse e dei costi. (Immagine per gentile concessione di SPE Industrial Partner Network)

Un altro vantaggio: grazie alla compatibilità PoDL (Power over Data Line, IEEE P802.3bu), la stessa coppia di fili è in grado di fornire non solo dati ma anche energia elettrica ai dispositivi sul campo. Oltre ad attuatori e sensori, nell'intervallo di potenza della precedente alimentazione PoE, è possibile collegare e alimentare tramite PoDL, ad esempio, strumenti basati su telecamere.

Prodotti per Single-Pair Ethernet

Nel comparto SPE, HARTING sta acquistando una posizione di rilievo con il suo connettore T1, che include il bloccaggio e la schermatura EMI a 360° (Figura 4). Il connettore T1 con capacità PoDL è disponibile in versioni circolari, tra cui M8 e M12. Per quanto riguarda i gradi di protezione, la gamma di prodotti va da IP20 a IP67 e, secondo il produttore, le rispettive controparti di interfaccia sono progettate per soddisfare le classi di protezione e garantire l'interoperabilità.

Figura 4: Schermato e con funzionalità di bloccaggio, il connettore T1 compatibile con PoDL è disponibile per gradi di protezione da IP20 a IP67. (Immagine per gentile concessione di HARTING)

Phoenix Contact offre anche un portafoglio SPE completo per il cablaggio sul campo da e verso quadri elettrici, sensori, interruttori e gateway. I prodotti di questo fornitore comprendono, ad esempio, connettori per schede o cavi assemblati da utilizzare in ambienti industriali da IP20 a IP67.

Il fornitore di strumenti open-source SparkFun Electronics offre una scheda funzionale SPE per supportare gli sviluppatori nella progettazione di applicazioni con Single-Pair Ethernet (Figura 5). La scheda, chiamata MicroMod COM-19038, comprende un transceiver Ethernet ADIN1110 di Analog Devices, componenti passivi di Würth Elektronik e un connettore T1 di HARTING. Un'interfaccia MAC (Media Access Control) integrata consente la comunicazione seriale con un controller host a 10 Mbit/s in modalità full-duplex. La scheda supporta i nodi di rete tramite un cavo di 1700 m, ma non è progettata per fornire alimentazione ai nodi tramite questo cavo. Kirk Benell, CTO di SparkFun, presenta la scheda di sviluppo in un video dimostrativo.

Figura 5: Dimostratore di un sensore ambientale dotato di display. (Immagine per gentile concessione di SparkFun Electronics)

Rete end-to-end nella tecnologia di processo

I vantaggi tecnici di Single-Pair Ethernet, ad esempio per quanto riguarda il monitoraggio delle condizioni e la manutenzione predittiva, sono enormi anche per l'automazione dei processi. Tuttavia, in questo caso si applica un profilo di requisiti esteso per la connettività Ethernet. Oltre alla comunicazione in tempo reale robusta e a banda larga, necessaria anche in officina, gli impianti di processo ad ampio raggio richiedono il trasferimento di dati su lunghe distanze. Inoltre, i componenti di automazione devono essere a sicurezza intrinseca per l'utilizzo in ambienti potenzialmente esplosivi. È qui che entra in scena il cosiddetto Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL), che definisce uno strato fisico di trasmissione per la comunicazione Ethernet a 10 Mbit/s e per l'alimentazione tramite un doppino, come nel caso di SPE, su distanze fino a 1.000 metri. Come SPE, Ethernet APL è perfetto per la strumentazione da campo universale e multiuso.

Conclusione

Industrial Ethernet, e in particolare il Single-Pair Ethernet, supportano il collegamento in rete a banda larga delle apparecchiature di produzione. Assicurano una comunicazione continua dal campo al cloud e permettono di accedere in tempo reale ai dati dei dispositivi, supportando gli operatori nell'ottimizzazione degli impianti e dei processi. I loro vantaggi sono chiaramente evidenti nella riduzione dei costi operativi, nella maggiore disponibilità e nell'uso ottimizzato di energia e risorse. Le tecnologie di connessione avanzate, come le interfacce ix Industrial e i connettori SPE con funzionalità PoDL, garantiscono una trasmissione affidabile dei dati e dell'alimentazione tra tutti i nodi della rete. Ciò li rende componenti chiave dell'Impresa 4.0 e una colonna portante dei concetti di automazione sostenibile.