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Autore: Arndt Schuebel: Technical Marketing / Application I4.0 wired connectivity
L’obiettivo principale alla base dello sviluppo di ogni nuovo protocollo di comunicazione dati è l’incremento della velocità di trasmissione dati. Tuttavia, molti degli innumerevoli sensori e azionamenti utilizzati nelle applicazioni di automazione industriale e degli edifici richiedono molto più di un semplice incremento della velocità di trasmissione dati per operare correttamente.
Attualmente, questi dispositivi “edge” (posti alla periferia della rete) sono interconnessi tra loro mediante una miriade di protocolli multidrop (punto-multipunto) di tipo “legacy”, con conseguente incremento della complessità e dei costi che gli OEM (Original Equipment Manufacturer) devono sostenere per il loro supporto.
Per tale motivo, IEEE ha istituito una task force allo scopo di individuare una tecnologia di connessione in rete su brevi distanze capace di supportare velocità di 10 Mb/s su una singola coppia di cavi Ethernet (SPE – Single Pair Ethernet) per soddisfare le richieste dei mercati automotive, Industry 4.0 e altri ancora (Fig. 1).
Fig. 1 – Industry 4.0 impone nuovi requisiti per le reti industriali
Questo lavoro è culminato nel rilascio, avvenuto nel 2019, dello standard IEEE 802.3cg, che ora consente di trasferire alla periferia i vantaggi di SPE. In questo articolo verranno dapprima spiegati i fattori trainanti alla base dello sviluppo di 10BASE-T1S, una versione per trasmissioni su brevi distanze di SPE originata da questo nuovo standard.
In seguito saranno analizzate le caratteristiche di un nuovo transceiver Ethernet sviluppato da onsemi che può essere utilizzato per sfruttare i vantaggi di 10BASE-T1S in numerose applicazioni, tra cui l’automazione industriale e degli edifici.
Creare i presupposti per l’utilizzo di SPE in ambito industriale
Sebbene erano già presenti connessioni Ethernet su coppia singola di tipo punto-punto capaci di assicurare (e superare) le velocità di trasmissione dati richieste dalle applicazioni industriali, le connessioni multidrop esistenti non possono garantire il determinismo richiesto dagli azionamenti e dai robot mobili che devono rispondere quasi in tempo reale (near real time) ai comandi ricevuti.
Ciò è dovuto al fatto che essi utilizzano un protocollo CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection) per arbitrare l’accesso a un mezzo condiviso (cavo) in una rete multidrop. Poiché CSMA/CD è caratterizzato da latenze casuali (random) provocate dalla collisione di dati, non è possibile garantire che un dispositivo sia in grado trasmette e comunicare in maniera affidabile con un ricevitore in un intervallo di tempo definito.
Per ovviare a questo inconveniente è stata sviluppata una nuova modalità per regolare il controllo dell’accesso al mezzo da utilizzare per 10BASE-T1S, un protocollo di rete progettato per consentire la comunicazione dati in modalità multidrop a una velocità massima di 10 Mb/s su cavi di lunghezza fino a 25 metri. La funzionalità PLCA (Physical Layer Collision Avoidance) garantisce una latenza massima in una rete multidrop half duplex. Un ciclo di trasmissione PLCA inizia quando un nodo coordinatore (Nodo 0) invia un beacon (in pratica un segnale), rispetto al quale si sincronizzano gli altri nodi della rete. Una volta inviato il beacon, l’opzione di trasmissione viene inoltrata al Nodo 1.
Se questo nodo non ha dati da inviare, l’opzione viene trasferita al Nodo 2. Questo processo prosegue finché ciascun nodo non abbia avuto almeno una possibilità di trasmettere (TO – Transmit Opportunity). Il nodo coordinatore a questo punto riavvia il ciclo inviando un altro beacon.
Per impedire a un nodo bloccare il bus, è consentita la trasmissione di un determinato numero di frame per ogni PO, regolata mediante l’impostazione della modalità burst che per default prevede un frame per TO, ma può essere impostata su 128 frame per TO. Poiché sul bus non può verificarsi alcuna collisione di dati, il throughput (velocità effettiva di trasmissione dati) non viene influenzato. Nella figura 2 è riportato il ciclo MAC (Media Access Control) di PLCA.
Fig. 2 – Ciclo MAC (Medium Access Control) di PLCA
Il cablaggio rappresentava un’altra barriera all’implementazione di una rete Ethernet tradizionale negli ambienti industriali. I cavi Ethernet standard prevedono quattro paia di fili, il che comporta un incremento dei costi e una maggiore difficoltà di installazione. 10BASE-T1S, per contro, è stato esplicitamente concepito per operare utilizzando una singola coppia di fili, quindi di dimensioni inferiori, più semplice da usare e, soprattutto, molto meno costosa.
Oltre al determinismo e alle prestazioni in tempo reale, la capacità di operare in modo affidabile in ambienti difficili e rumorosi dal punto di vista elettrico è un requisito di fondamentale importanza per una rete industriale. Mentre gli standard Ethernet più datati non erano stati progettati per la compatibilità elettromagnetica (EMC), 10BASE-T1S è stato sviluppato espressamente per l’uso in ambienti particolarmente gravosi.
Per questo motivo 10BAST-T1S assicura prestazioni EMC decisamente superiori rispetto a qelle delle altre reti industriali. Grazie a 10BASE-T1S è possibile sviluppare sistemi che soddisfano i requisiti previsti dallo standard IEC61000-4-6 Classe 3 relativi alle interferenze EMI (iniezione di rumore di modo comune a 10 Vrms) anche utilizzando cavi a coppia singola non schermati. Questo sensibile aumento dell’immunità elettromagnetica è in gran parte ascrivibile a PLCA: l’eliminazione delle collisioni permette al transceiver del livello fisico (PHY) di impiegare tecniche avanzate per il ripristino di un segnale anche in presenza di elevati livelli di rumore elettrico.
SPE alla periferia della rete industriale
L’utilizzo di 10BASE-T1S comporterà numerosi benefici per gli OEM attivi nel campo delle apparecchiature industriali e per gli operatori di siti industriali. Negli ambienti di fabbrica, un gran numero di tecnologie di comunicazione tradizionali connettono dispositivi (RS-485, UART) al livello fisico (PHY) e svariati protocolli Fieldbus li connettono al livello DLL (Data Link Layer).
Questi nodi collegano qualsiasi dispositivo – sensori di temperatura e pressione, azionamenti per sistemi HVAC e robot, ventole, monitor di tensione, convertitori di potenza e altri moduli – ai quadri di controllo trasmettendo dati a bassa velocità. La funzionalità multidrop di 10BASE-T1S consente di collegare questi dispositivi su un unico cavo condiviso: ciò significa che possono essere rimossi (o sostituiti) senza influenza le prestazioni complessive della rete o provocare arresti (downtime) dei processi, semplificando e riducendo sensibilmente i costi di manutenzione della rete.
La sostituzione delle reti industriali multidrop legacy con 10BASE-T1S consente inoltre di eliminare il ricorso a switch di grandi dimensioni, gateway e convertitori di protocollo, la cui presenza implica cablaggi aggiuntivi e un maggior consumo di potenza per il loro supporto.
Transceiver MACPHY 2 in 1
I classici controllori PHY Ethernet 10BASE-T1S forniscono solamente le funzioni relative al livello fisico richieste per trasmette e ricevere dati su un cavo a coppia singola non schermato e supportano la comunicazione con un MAC attraverso un’interfaccia standard MMI (Media Independent Interface). NCN26010 di onsemi (Fig. 3), invece, è un transceiver Ethernet conforme a IEEE 802.3cg espressamente progettato per eliminare questo approccio a due livelli integrando un MAC (Media Access Controller), un sottolivello RS (Reconciliation Sublayer) PLCA e un PHY 10BASE-T1S in un unico package.
Ciò significa che può mettere a disposizione tutte le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati su un singolo doppino intrecciato non schermato e comunicare con una MCU host attraverso il protocollo SPI MACPHY di Open Alliance.
L’integrazione di MAC e PHY in un singolo dispositivo consente l’utilizzo di Ethernet con sensori e altri dispositivi per applicazioni industriali equipaggiati con MCU di fascia medio-bassa che non prevedono un MAC integrato. In questo modo, a fronte di una notevole riduzione della complessità, è anche garantita la flessibilità necessaria per riconfigurare i nodi successivamente all’installazione del sistema.
Fig. 3 – Il transceiver 10BASE-T1S NCN26010 di onsemi
L’adozione di NCN26010 comporta altri due vantaggi significativi. In primo luogo, il dispositivo assicura una maggiore immunità al rumore grazie alle migliori prestazioni a livello di BER (Bit Error Rate): il superamento del test di immunità condotta a 10 Vrms previsto da IEC6100-4-6 assicura un rilevamento dei dati affidabile in ambienti elettricamente rumorosi come quelli tipici delle fabbriche. Ciò consente a NCN26010 di supportare otto nodi su cavi di lunghezza fino a 50 metri (il doppio rispetto a quanto previsto dallo standard IEEE 802.3cg).
In secondo luogo, la ridotta capacità dei pin di linea del dispositivo consente il collegamento di un massimo di 40 nodi a un unico cavo a coppia singola di lunghezza pari a 25 metri (un miglioramento di un fattore pari a 5 rispetto a quanto previsto dallo standard IEEE 802.3cg). NCN26010 permette anche di ridurre i costi della manutenzione del software grazie all’adozione dell’approccio “a strati” di Ethernet: in altre parole, i cambiamenti apportati ai livelli fisici di Ethernet non influenzano i livelli software superiori.
Il transceiver NCN26010 è disponibile nei package TQFP32 (5×5 mm) o QFN32 (4×4 mm) a basso profilo. Oltre che nei siti industriali, questo transceiver può essere utilizzato in altri tipi di applicazioni quali automazione degli edifici (ascensori e sensori smart), illuminazione stradale, trasporti su rotaia e altre applicazioni automotive.
Connettività “cloud-to-edge”
Utilizzata all’inizio principalmente per connettere dispositivi di elaborazione, nel corso degli anni Ethernet ha subito notevoli evoluzioni che hanno dato vita alle numerose versioni attuali che permettono di soddisfare i requisiti di un gran numero di applicazioni in termini di velocità e distanze di trasmissione. 10BASE-T1S è l’anello mancante necessario per le applicazioni che richiedono comunicazioni di tipo deterministico e connessioni multidrop nelle fabbriche e, più in generale, alla periferia della rete.
