La crescente domanda da parte dell’industria per un miglioramento della produttività ha alzato l’attenzione verso l’interoperabilità dell’infrastruttura di automazione e ha dato slancio alle opportunità che SPE (Single Pair Ethernet) offre come tecnologia rivoluzionaria. SPE è la piattaforma tecnologica che consente la migrazione di varie reti industriali legacy su un livello fisico universale. Ciò significa che l’Industria 4.0 può contare su un’unica tecnologia, in grado di trasportare i dati raccolti dai singoli sensori perimetrali (all’edge), alla linea di produzione, fino al sito di elaborazione principale.
L’ultimo sviluppo nella comunicazione dati Ethernet riguarda le maggiori opzioni ora disponibili utilizzando cavi a due conduttori. Con la tecnologia Single Pair Ethernet (SPE), i sistemi di automazione degli edifici, le macchine e le reti industriali preesistenti possono essere migrate su una singola tecnologia di rete Ethernet. Il vantaggio principale è che l’alimentazione e i dati possono essere trasferiti da e verso i dispositivi perimetrali contemporaneamente attraverso un singolo cavo.
L’ecosistema SPE
SPE espande le capacità dell’Industrial Internet of Things (IIoT) e aiuta le aziende a migrare più rapidamente verso tecnologie operative basate su Ethernet (Operation Technology – OT). Offre inoltre protocolli di comunicazione comuni compatibili con la principale rete IT. Questa espansione include soluzioni end-to-end che consentono di connettere tra loro switch, cavi e sensori sviluppati da numerosi vendor. Questi cambiamenti armonizzeranno l’ OT e l’IT sul protocollo attualmente più ampio ed efficace.
Attualmente sta emergendo un ecosistema completo per sfruttare appieno le opportunità Single-Pair Ethernet negli standard globali, nei componenti, nei dispositivi finali e nelle applicazioni. In 20 anni, Ethernet ha conquistato un’ampia quota nel mercato industriale ed è disponibile in numerose varianti, tra cui Profinet, EtherNet/IP ed EtherCAT.
Insieme ai protocolli complementari basati su IP, la tecnologia Ethernet è avanzata fino a diventare la piattaforma di comunicazione dati dominante. Tuttavia, altri protocolli specifici continuano a trovare impiego laddove i requisiti dell’applicazione non siano ancora stati soddisfatti da Ethernet. Questo scenario, con diversi protocolli in esecuzione in parallelo, aumenta i costi e la complessità degli ambienti esistenti. Inoltre, in un ambiente multiprotocollo, è necessario personale esperto di installazione e manutenzione per ambienti così vari, col conseguente aumento dei costi.
L’intelligenza artificiale (AI) e la digitalizzazione stanno ampliando le capacità di produzione per migliorare l’output: tutto ciò sta guidando l’uso di processi basati sui dati e applicazioni di apprendimento automatico (machine learning). Queste possibilità esistono da tempo, tuttavia, la dinamica tecnologica di una singola tecnologia che riunisce intere topologie di sistemi offre un’ampia gamma di possibilità.
Dal momento che più sistemi e dispositivi di produzione e industriali vengono integrati nell’IT, le reti OT si sono sviluppate in una combinazione di protocolli Ethernet e bus di campo. Un recente studio ha rilevato che i nodi di nuova installazione nell’Ethernet industriale hanno superato per la prima volta i bus di campo tradizionali nel 2018 e questo progresso è continuato nel 2019 e nel 2020. L’Ethernet industriale continua a crescere costantemente del 20% e ora rappresenta il 59% del mercato globale, un aumento del 7%. A livello mondiale, Ethernet/IP è la più grande rete Ethernet industriale con una quota di mercato del 15%, seguita da vicino da Profinet con il 14%. Inoltre, il 2020 è stato il primo anno in cui il numero di nuovi nodi fieldbus è diminuito, con un calo del -5%, a fronte di una crescita del 6% nel 2018.
SPE accelera la migrazione
Le capacità di SPE aumentano utilizzo verso una soluzione di rete interamente Ethernet. Il vantaggio per l’utente è che la rete è più facile da implementare e gestire. In futuro, la rete a protocollo unico garantirà una maggiore trasparenza dei dati e aumenterà la sicurezza. La crescita dell’IIoT e la digitalizzazione dei processi industriali richiedono un sistema informativo senza soluzione di continuità in azienda e stanno guidando la convergenza sulla piattaforma Ethernet.
Lo standard IEEE Single-Pair originale 802.3cg-2019 è stato adottato all’inizio del 2020. Allo stesso tempo, sono stati introdotti i chip per supportare tutte le applicazioni SPE nell’automazione dei processi, nonché nell’automazione industriale e degli edifici.
Il numero ridotto di coppie utilizzate per la comunicazione consente una riduzione delle dimensioni del cavo e del connettore, mentre la tecnologia fornisce alimentazione e dati ai dispositivi periferici all’interno di un’unica connessione. Il connettore IP20 SPE secondo IEC 63171-1 Tipo 1 (Fig. 1) di Panduit è un modulo di piccolo formato con la metà dell’ingombro di una connessione RJ45 e dispone di un meccanismo di blocco positivo (positive locking mechanism) per connessioni sicure. L’alimentazione e la data supply integrate rendono ridondanti le batterie o gli alimentatori locali. Ciò semplifica l’alimentazione riducendo i tempi di installazione e ottimizzando la manutenzione.
Rispetto alla terminazione di un cavo a 4 coppie secondo lo standard TIA-568A / B, la terminazione di un cavo a 1 coppia con il connettore LC in loco è più rapida e semplice. Con gli strumenti disponibili in commercio, un tecnico può montare un connettore SPE sul cavo in metà del tempo necessario per la terminazione a 4 coppie. Inoltre, vengono utilizzati cavi Single-Pair 18 AWG (circa 1 mm² di diametro per cavo), che sono più leggeri e più piccoli. Anche la connessione del connettore SPE è meno soggetta a errori, il che riduce al minimo le rilavorazioni.
Il vantaggio di trasmettere dati e alimentazione a dispositivi remoti in parallelo tramite SPE è enorme. Lo standard IEEE 802.3bu prevede un’alimentazione CC decentralizzata tramite la connessione SPE, denominata Power-over-Data-Line o PoDL. PoDL è paragonabile alla tecnologia Power-over-Ethernet (PoE) per Ethernet standard, che ha già cambiato in modo decisivo l’alimentazione dell’infrastruttura di comunicazione dati negli edifici.
Un ulteriore vantaggio di Single Pair Ethernet è che i cavi preesistenti possono essere riutilizzati. Le macchine e i sistemi che sono stati installati con topologie di cavi intrecciati sigle-pair possono ora essere utilizzati come supporti per cavi SPE. Ad esempio, molti cavi RS-485 utilizzati o installati in modo ridondante hanno una sezione trasversale di 18 AWG, un’alternativa utilizzabile per lo switch tecnologico. Questi cavi devono ovviamente essere testati per garantire che siano conformi ai requisiti e per garantire che soddisfino le prestazioni elettriche relative allo standard TIA-568.5 per la trasmissione 10BASE-T1L.
In qualità di attore globale di soluzioni innovative nel campo delle infrastrutture fisiche ed elettriche, Panduit è leader nello sviluppo di questi futuri standard di comunicazione. Bob Voss, Senior Principal Engineer nel dipartimento di ricerca e sviluppo di Panduit, presiede il Single-Pair Ethernet Subcommittee presso l’Ethernet Alliance. Il sottocomitato che presiede è incaricato di promuovere lo sviluppo di una roadmap coerente per Ethernet BASE-T1 come implementazione di rete preferita in un’unica infrastruttura di rete che integra le reti industriali nell’ambiente Ethernet. Questo sviluppo sostituirà i vecchi protocolli vulnerabili con reti IP robuste che offrono velocità dei dati, distanze di trasmissione e vantaggi più elevati nella sicurezza dei dati e della rete.
Grazie ai vantaggi delle reti Ethernet e basate su IP, il consolidamento in ambienti SPE riduce anche i costi non direttamente correlati alla trasmissione dei dati. Le reti Ethernet sono più veloci e offrono tecnologie avanzate come Time Sensitive Networking (TSN) e Software Defined Networking (SDN). Sebbene Ethernet a 4 coppie sia già ben consolidato e supporti livelli più elevati nelle reti industriali, non è conveniente per molti dispositivi edge più piccoli. SPE è significativamente più conveniente per un’implementazione più ampia di dispositivi IIoT sensibili ai costi. I sistemi che attualmente utilizzano la comunicazione seriale RS-485 possono essere aggiornati con piccole modifiche e integrati nella rete Ethernet.
Veloce e facile da usare
SPE offre una maggiore larghezza di banda con velocità di trasmissione dati fino a 10 Mbit/s su distanze fino a 1.000 m. Rispetto ai vecchi protocolli basati su RS-485 e che offrono una velocità di connessione di soli 31,2 kBit/s per gli stessi 1.000 m, la velocità di trasmissione è 300 volte più veloce.
La convenienza, il costo e la funzionalità di Single Pair Ethernet forniscono una soluzione a basso costo per la migrazione o l’implementazione incrementale di SPE in un ambiente industriale. La tecnologia è orientata all’estensione delle capacità di raccolta dati a molti più dispositivi perimetrali per i quali l’accesso rapido ai dati era precedentemente inaccessibile. I connettori Panduit M8 (Fig. 2) secondo la classe MICE2/3 offrono un alto grado di protezione IP67 contro polvere e acqua. Poiché la codifica dei pin è identica ai sistemi di sensori e bus di campo esistenti, il passaggio a Ethernet è molto più semplice.
Le prime applicazioni per SPE includono:
- Collegamento di skid e blocchi I/O macchina alla rete Ethernet
- Collegamento di dispositivi interni alla macchina a uno switch di rete cellulare o industriale interno alla macchina
- Collegamento di sensori e attuatori di campo a switch di rete industriale tramite canali di collegamento punto-punto o strutturati via cavo, entrambi con lunghezze fino a 1 km (ovvero ben al di sopra dell’attuale limite di 100 m)
- Collegamento di dispositivi di campo con switch a 2 canali integrati in un collegamento a margherita
- Collegamento di moduli I/O remoti tra loro, con lo switch di rete o con il controller
- Collegamento tra loro dei dispositivi del pannello di controllo tramite un unico cavo in topologia multi-drop (10BASE-T1S)
SPE è la tecnologia chiave per produttori e impianti industriali:
- Reti senza interruzioni con elevata trasparenza dal cloud al dispositivo perimetrale
- Aumento della larghezza di banda ai margini della rete per l’implementazione di opzioni diagnostiche estese
- Semplificazione delle reti edge eliminando i gateway di traduzione del protocollo
- Trasformazione e semplificazione dell’infrastruttura in corrente continua per i controlli
- Miglioramento della sicurezza informatica con l’espansione delle tecnologie di difesa dagli attacchi IT nella produzione
- Collegamento di dispositivi micro IoT miniaturizzati
- Costo totale di proprietà (TCO) inferiore
Il trionfo dell’Internet of Things dipende in larga misura dall’impiego di una tecnologia conveniente in combinazione con sensori a basso costo per agevolare la scalabilità. È probabile che i prodotti di automazione di massa cambino per primi, mentre le apparecchiature specializzate con protocolli più vecchi impiegheranno più tempo per essere sostituite. Se gli utenti realizzano il vantaggio competitivo disponibile tramite SPE, l’implementazione dei dispositivi associati aumenterà notevolmente e la complessità della rete sarà ridotta dalla convergenza su Ethernet.
A cura di Martin Kandziora, Engineer and MBA, Senior Manager Marketing EMEA, Panduit
