Industrial Ethernet per Industrial IoT negli ambienti di fabbrica

Cosa succede quando si utilizzano le normali apparecchiature Ethernet nelle fabbriche? Si guastano presto negli ambienti di fabbrica. Gli ambienti di fabbrica lavorano a temperature estreme, da -40 °C a +75 °C, sono soggetti vibrazioni costanti ed esposti a sostanze chimiche aggressive. Quando le reti industriali si guastano, la produzione si blocca, con conseguenti perdite economiche.

Questo articolo illustra le differenze tra Industrial Ethernet e le tradizionali reti per uffici e spiega come componenti speciali permettano alle macchine di comunicare tra loro in modo affidabile. La dissertazione verte su tre aspetti principali: switch di rete rinforzati, cavi di grado industriale e patch panel protetti che creano reti in grado di resistere alle difficili condizioni di fabbrica.

Limitazioni alle prestazioni negli ambienti industriali

L'Industrial Internet of Things (IIoT) opera in condizioni che mettono rapidamente fuori uso le apparecchiature IT standard. Gli ambienti di produzione generano polvere che intasa gli impianti di raffreddamento, mentre l'umidità nella trasformazione alimentare causa cortocircuiti e corrosione. Temperature estreme, vibrazioni costanti e interferenze elettromagnetiche dei motori compromettono i normali componenti di rete, causando guasti e costosi tempi di fermo.

A differenza delle reti per uffici, dove i ritardi occasionali sono accettabili, le reti industriali devono essere deterministiche, garantendo che gli eventi si verifichino entro un lasso di tempo prevedibile. Ethernet standard è un protocollo probabilistico (best-effort) senza tempi di consegna garantiti. Le applicazioni industriali richiedono compatibilità e determinismo, in particolare per operazioni come il controllo del movimento, dove ritardi anche di pochi millisecondi possono danneggiare le apparecchiature.

Assicurazione della compatibilità e del determinismo

I protocolli industriali funzionano al livello 7 del modello OSI (Open Systems Interconnection) utilizzando le reti basate su PROFINET, come mostra la Figura 1. PROFINET può essere suddiviso in PROFINET RT e PROFINET IRT (acronimo di "tempo reale isocrono"). RT bypassa la normale elaborazione TCP/IP per ridurre la latenza, mentre IRT modifica le regole di commutazione del traffico Ethernet per dare priorità agli scambi di dati critici dal punto di vista temporale.

Figura 1: Il modello OSI illustra il funzionamento dei protocolli industriali ai vari livelli di rete. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Poiché PROFINET opera su Ethernet standard ai livelli fisici (1-2), le reti industriali possono connettersi con le normali apparecchiature Ethernet, fornendo al contempo tempistiche precise per il controllo delle macchine, flessibilità del protocollo ed espandibilità della rete.

Componenti del sistema di automazione IIoT e sfide operative

Gli switch, i cavi e i patch panel Ethernet industriali sono componenti essenziali dell'Internet delle cose industriale (IIoT) nell'automazione di fabbrica. Ciascuno di questi componenti presenta una serie di sfide comuni e uniche.

Sfide comuni: tutti i componenti devono essere protetti dalle interferenze elettromagnetiche dei macchinari di fabbrica. A tal fine, gli switch e i patch panel richiedono alloggiamenti schermati, mentre i cavi utilizzano una struttura a doppino intrecciato schermato (STP) o a doppino intrecciato laminato (F/UTP). Gli switch sono dotati di involucri robusti per resistere agli urti, i cavi resistono alle vibrazioni e alle sollecitazioni meccaniche e i patch panel utilizzano materiali resistenti, come l'acciaio laminato a freddo di spessore 14.

Sfide uniche:

Switch Industrial Ethernet

• Devono funzionare in modo affidabile a temperature estreme (da -40 °C a +75 °C)
• Richiedono ingressi di alimentazione c.c. ridondanti e relè di allarme per l'instabilità dell'alimentazione industriale
• Necessitano di protocolli di qualità del servizio (QoS) per assegnare priorità ai flussi di dati industriali critici

Cavi Industrial Ethernet

• Sono esposti all'ambiente diretto e richiedono connettori con grado di protezione IP68 contro polvere e liquidi
• Utilizzano connettori M12 specializzati con filettature di bloccaggio per evitare disconnessioni causate dalle vibrazioni
• Sono caratterizzati da spine ad angolo retto per l'installazione in spazi ristretti intorno ai macchinari

Patch panel industriali

• Devono ospitare molti cavi in spazi ristretti per progetti ad alta densità
• Incorporano barre di scarico della trazione per mantenere l'integrità del collegamento a lungo termine
• Utilizzano porte angolate verso il basso di 90 gradi per facilitare l'accesso in rack densi

Eaton offre un'ampia gamma di soluzioni per Industrial Ethernet, tra cui switch, cavi e patch panel Industrial Ethernet, che affrontano le sfide sopra citate negli ambienti di fabbrica.

Switch Industrial Ethernet

Gli switch serie NGI di Eaton collegano i dispositivi alle reti industriali. Sono forniti in formati diversi: piccoli con 5 porte e grandi con 16 porte. Gli switch piccoli gestiscono velocità di dati fino a 14 Gbps. Gli switch grandi fino a 32 Gbps. Tutte le porte RJ45 possono funzionare a tre velocità: 10 Mbps, 100 Mbps o 1000 Mbps. La Figura 2 illustra i componenti chiave dei modelli NGI-U08A e NGI-U05C2POE4.

Figura 2: Componenti chiave degli switch Industrial Ethernet serie NGI di Eaton. (Immagine per gentile concessione di device.report)

Lo switch di rete NGI-U05POE4 è fornito in un alloggiamento metallico resistente alle vibrazioni e agli urti e può funzionare a temperature comprese tra -10 °C e +60 °C. La sua caratteristica principale sono le quattro porte PoE+ che possono erogare fino a 30 W di potenza ciascuna (per un totale di 120 W). In questo modo si risolve la sfida di alimentare dispositivi come telecamere e sensori in ambienti in cui c'è carenza di prese di alimentazione.

Per avere maggiori funzionalità, lo switch di rete NGI-U08A è una buona scelta, in quanto offre un intervallo della temperatura di funzionamento più ampio, da -40 °C a +75 °C, e un involucro robusto resistente alle vibrazioni. La funzione di ridondanza dell'alimentazione di questo modello è particolarmente utile in caso di instabilità dell'alimentazione. È dotato di Ethernet/IP QoSe (EIP QoS), che aiuta a dare priorità ai flussi di dati industriali per migliorare i livelli prestazionali.

Cavi Industrial Ethernet

I cavi Industrial Ethernet di Eaton sono dotati di struttura schermata (STP o F/UTP) per proteggere i segnali dalle interferenze generate da motori e macchinari pesanti. I cavi sono progettati per resistere alla polvere, all'umidità e agli elementi corrosivi grazie a caratteristiche come i connettori di grado IP68 e le guaine CMX per esterni.

Per evitare danni alle connessioni causati delle vibrazioni costanti, i cavi utilizzano robusti connettori circolari M12 con filettatura di bloccaggio da 12 mm per un fissaggio sicuro. Molti cavi supportano la tecnologia Power over Ethernet (PoE), che consente di fornire alimentazione e dati su un'unica linea a dispositivi quali sensori e telecamere laddove non sono disponibili prese di alimentazione.

N206-PC23-IND (Figura 3) ha un grado di protezione IP68, che indica che i suoi connettori sono protetti dalla polvere e possono resistere all'immersione in 1,5 metri d'acqua per un massimo di 60 minuti. La guaina con classificazione CMX lo rende adatto ad applicazioni per esterni. È progettato per funzionare a temperature estreme da -20 °C a +80 °C.

Figura 3: Cavo Industrial Ethernet Cat5e/Cat6 STP di Eaton con connettori RJ45 (modello N206-PC23-IND). (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La struttura schermata del cavo aiuta a proteggere dai disturbi di linea EMI/RFI provenienti da fonti quali macchinari pesanti, compresi motori elettrici e apparecchiature di saldatura. Supporta PoE per alimentare dispositivi compatibili, come telecamere di sicurezza e telefoni VoIP.

I cavi industriali NM12-6A4-01M-BL (Figura 4) e NM12-602-02M-BL hanno connettori M12 e sono di grado IP68 per la resistenza a polvere e acqua. I modelli supportano PoE ad alta potenza da 60 W e collegano un connettore X-Code M12 maschio a un connettore RJ45 maschio.

Figura 4: NM12-6A4-01M-BL di Eaton, un cavo industriale schermato 10G Cat6a con connettore M12 ad angolo retto e supporto PoE da 60 W. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Il modello NM12-6A4-01M-BL ha una marcia in più rispetto al modello NM12-602-02M-BL, in quanto offre una maggiore velocità di rete di 10 Gbps e una schermatura complessiva (F/UTP) per proteggere dalle interferenze nelle applicazioni ad alta velocità. È inoltre dotato di uno speciale connettore M12 ad angolo retto, come illustrato nella Figura 4, per scaricare la tensione dei cavi e facilitarne il collegamento in spazi ristretti. Tuttavia, se sono necessari solo connettori M12 diritti con un cavo più lungo (2 m) e velocità di rete inferiori (1 Gbps), il modello NM12-602-02M-BL fa al caso vostro.

Patch panel industriali

I patch panel industriali sono dotati di porte RJ45 completamente schermate, che offrono una protezione essenziale contro le interferenze elettromagnetiche comuni negli ambienti di produzione. Questa struttura schermata impedisce a EMI e RFI di alterare i dati, riducendo la perdita di pacchetti e i requisiti di ritrasmissione. Le opzioni salvaspazio includono modelli standard da 1U e varianti salvaspazio da 0,5U, che consentono una maggiore densità di porte in rack in spazi ristretti.

Come illustra la Figura 5, il modello N254-024-SH-D è dotato di porte RJ45 rivolte verso il basso con un angolo di 90° (C), per facilitare la gestione dei cavi in spazi industriali ristretti e ridurre la tensione su cavi e connettori. Il cavo di messa a terra dedicato (D) assicura la corretta messa a terra elettrica della schermatura, massimizzando la protezione EMI/RFI in ambienti industriali con molto rumore elettrico.

Figura 5: Patch panel industriale di Eaton (modello N254-024-SH-D) che evidenzia le principali caratteristiche industriali. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Strategie di integrazione per ottimizzare l'affidabilità delle reti industriali

Quando si integrano componenti Industrial Ethernet, è necessario adeguare le specifiche alle sfide ambientali. Gli impianti di trasformazione alimentare richiedono una maggiore protezione dall'umidità rispetto ai magazzini polverosi, mentre le aree in cui sono presenti apparecchiature di saldatura richiedono una maggiore schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Pensate alla futura crescita, scegliendo componenti con capacità di espansione, ad esempio alloggiamenti con spazio aggiuntivo, cablaggi con larghezza di banda superiore e switch con porte di riserva. Garantite l'interoperabilità mantenendo specifiche di prestazione costanti tra le infrastrutture. Se gli switch supportano 10 Gbps, utilizzate un cablaggio in grado di garantire la stessa larghezza di banda.

Considerate sia la latenza sia il jitter quando progettate applicazioni sensibili al tempo. Affrontate i vincoli fisici con involucri per il montaggio a parete che consentono di occupare uno spazio limitato e di estendere i cavi per raggiungere le posizioni ottimali dei dispositivi.

Conclusione

Le reti di grado industriale funzionano in modo affidabile dove le apparecchiature standard vengono meno. Riducono i tempi di inattività e i costi di manutenzione. Inoltre, forniscono dati costanti per l'analisi. Quando i produttori combinano Ethernet standard con i protocolli industriali, i vantaggi sono enormi. Questa combinazione offre una connettività universale e un controllo preciso della temporizzazione, importante per i gemelli digitali e la manutenzione predittiva.

Con l'adozione dell'IoT da parte delle fabbriche, un'infrastruttura robusta fa la differenza. Le aziende che investono adeguatamente in Industrial Ethernet ottengono immediati vantaggi operativi. Questo investimento prepara inoltre le aziende ai progressi dell'Impresa 4.0. Questi progressi richiedono una rete affidabile in tutti gli impianti di produzione.