Come aggiungere in modo rapido ed economico Industrial Ethernet alle apparecchiature di Impresa 4.0

I progettisti di fabbriche intelligenti per l'Impresa 4.0 e Internet delle cose industriale (IIoT) devono essere in grado di implementare rapidamente interfacce di rete di automazione e controllo compatte, affidabili, a bassa latenza e a basso consumo. Industrial Ethernet (IE) è sempre più in grado di soddisfare i requisiti prestazionali grazie a protocolli come PROFINET, EtherNet/IP o EtherCAT incapsulati all'interno del protocollo Ethernet e grazie a un livello di controllo di accesso ai media (MAC) modificato per fornire le prestazioni a bassa latenza e in tempo reale richieste dalle apparecchiature di Impresa 4.0.

Tuttavia, può essere difficile riunire tutti i componenti necessari per un'implementazione flessibile di IE, assicurando al contempo che il relativo software sia certificato per garantire un funzionamento affidabile e l'interoperabilità.

Altre sfide sono legate all'efficienza energetica e all'ambiente. Ad esempio, le reti IE utilizzano generalmente strutture di rete in linea o ad anello che hanno una lunghezza di cablaggio ridotta rispetto alle reti a stella. Tuttavia, le reti in linea e ad anello richiedono due porte Ethernet per ogni dispositivo, rendendo la dissipazione di potenza dello strato fisico (PHY) un elemento da prendere in grande considerazione per la progettazione.

Le temperature elevate che si riscontrano negli ambienti industriali, unite alla necessità di soluzioni compatte, impongono ai progettisti una gestione oculata della dissipazione della potenza disponibile per le implementazioni IE.

Prendiamo come esempio una porta IE con una dissipazione della potenza disponibile di 2,5 W in cui l'FPGA (gate array programmabili sul campo), la memoria DDR (doppia velocità dati) e lo switch Ethernet consumano 1,8 W. Restano 700 mW disponibili per due PHY (Figura 1).

Figura 1: Ogni dispositivo in un'architettura Ethernet in linea (al centro) o ad anello (a destra) richiede due PHY (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Oltre a soddisfare le esigenze di dissipazione della potenza disponibile, le apparecchiature industriali devono essere in linea con diversi standard e norme di compatibilità elettromagnetica/scariche elettrostatiche (EMC/ESD) della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e della Normativa Europea (EN):

• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-4 Transitori elettrici veloci (EFT)
• IEC 61000-4-5 Sovratensioni
• IEC 61000-4-6 Immunità condotta
• EN 55032 Emissioni irradiate e condotte

I test per tutti questi standard sono costosi e richiedono tempo. Inoltre, se qualcosa va storto durante i test e la certificazione, si allunga il time-to-market e aumentano i costi.

Il progetto di riferimento semplifica l'implementazione di IE

Per affrontare le numerose sfide legate all'implementazione di IE, Analog Devices ha sviluppato il progetto di riferimento integrato Chronous, RapID Platform Generation 2. Chronous è un ambiente di sviluppo completo per IE, comprendente hardware e software verificati e collaudati per i più diffusi protocolli Industrial Ethernet.

Include due PHY Ethernet, che lo rendono adatto all'uso in dispositivi collegati in rete con topologie in linea o ad anello. Sono disponibili tre schede che includono il software pre-certificato per EtherCAT (EV-RPG2-ECZ), EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ) e PROFINET (EV-RPG2-PNZ). I kit di valutazione EV-RPG2 (Figura 2) sono un ambiente di sviluppo completo che comprende:

• Scheda base con modulo RapID Generation 2 ADIN2299 con software di protocollo certificato
• Alimentatore a parete in corrente alternata (c.a.) con adattatori per spina universali
• Cavo USB A maschio - USB micro B maschio
• Cavo Ethernet

Figura 2: I kit di valutazione EV-RPG2 includono tutto l'occorrente per implementare rapidamente i dispositivi in una rete Industrial Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I kit di sviluppo EV-RPG2 consentono ai progettisti di verificare rapidamente, prima dell'integrazione, il percorso di comunicazione tra un processore host e un dispositivo nella fabbrica intelligente, ad esempio un controller a logica programmabile (PLC). Oltre a includere il software pre-testato, EV-RPG2 è caratterizzato da un basso consumo energetico, è stato collaudato secondo gli standard IEC ed EN pertinenti e supporta la personalizzazione per una vasta gamma di casi d'uso.

Il modulo ADIN2299 vanta un fattore di forma ridotto idoneo per le applicazioni integrate, ha un basso consumo energetico e una latenza ridotta. Si tratta di una soluzione completa e pre-testata che gestisce il protocollo industriale e il traffico di rete per un processore per applicazioni e accelera l'integrazione di IE nei dispositivi di campo. Include un controller di comunicazione, uno stack di protocollo, memoria flash, RAM, un controller follower e due interfacce PHY, oltre al software specifico necessario per le reti EtherCAT, PROFINET real-time (RT) o isocrone real-time (IRT) ed EtherNet/IP (Figura 3).

Figura 3: Il modulo ADIN2299 offre un fattore di forma ridotto per applicazioni integrate e dispone di due PHY Ethernet (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il PHY del modulo IE ADIN2299 integrato utilizza due transceiver Ethernet ADIN1200 a basso consumo, a porta singola di 10 Mbps e 100 Mbps. ADIN1200 dispone di un core PHY Ethernet ad alta efficienza energetica, circuiteria analogica, buffering del clock in ingresso e in uscita, interfaccia di gestione e registri del sottosistema, interfaccia MAC e logica di controllo. Caratteristiche aggiuntive integrate in ADIN1200:

• 10BASE-Te/100BASE-TX conforme a IEEE 802.3
• MAC Media Independent Interface (MII), MMI ridotta (RMII) e MMI gigabit ridotta (RGMII)
  • Latenza RGMII 100BASE-TX: trasmissione <124 ns, ricezione <250 ns
  • Latenza MII 100BASE-TX: trasmissione <52 ns, ricezione <248 ns
• Conforme a:
  • IEC 61000-4-4 Transitori elettrici veloci (EFT) (±4 kV)
  • IEC 61000-4-5 sovratensioni (±4 kV)
  • IEC 61000-4-6 Immunità condotta
  • EN55032 Emissioni irradiate e condotte (Classe A)
• Intervallo di funzionamento ambientale da -40 a +105 °C
• Consumo energetico di 139 mW per 100BASE-TX a 1,8 V
• Contenitore LFCSP (leadframe chip-scale), di 5 × 5 mm a 32 conduttori (Figura 4)

Figura 4: I transceiver Ethernet ADIN1200 sono robusti e il loro contenitore LFCSP di 5 x 5 mm consente soluzioni compatte. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I protocolli IE come PROFINET, EtherNet/IP ed EtherCAT sono in grado di supportare l'esigenza di interfacce di rete di automazione e controllo a bassa latenza richieste da Impresa 4.0. Per accelerare l'implementazione di IE e ridurre i costi, garantendo al contempo l'interoperabilità, Analog Devices fornisce un progetto di riferimento con PHY efficienti e una ricca suite di software pre-certificati.

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