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Di: Arndt Schübel, Product Marketing Engineer, Analog & Mixed-Signal Group (AMG), onsemi
Introduzione
Le fabbriche moderne stanno sempre più adottando tecnologie intelligenti, con dispositivi come macchine utensili, robot, attuatori e sensori che generano, trasmettono e ricevono dati.
Per permettere a tutti questi dispositivi di comunicare in modo affidabile, è necessario che le fabbriche utilizzino protocolli robusti. In passato, la comunicazione si è basata su un mix frammentato di protocolli di rete, come HART, RS-485, Modbus, DeviceNet, Profibus e CAN. Questa frammentazione implica la necessità di costosi gateway per collegare diversi standard, rendendo la manutenzione complessa e onerosa.
Oggi, l’Ethernet sta rapidamente diventando la spina dorsale preferita all’interno delle fabbriche. In questo articolo, esploreremo perché il 10BASE-T1S, uno standard Ethernet a coppia singola, è il protocollo di comunicazione preferito per sostituire le soluzioni Ethernet legacy e cablate nell’automazione industriale.
Comprendere il 10BASE-T1S e i suoi vantaggi
Definito dalla specifica IEEE 802.3cg, il 10BASE-T1S è uno standard Ethernet multi-drop, privo di collisioni. Funziona su cavi Ethernet a coppia singola twistata e non schermata (SPE), e come suggerisce il nome, offre una velocità di trasmissione dati di 10 Mb/s, risultando molto più veloce rispetto a molte reti industriali legacy.
Il 10BASE-T1S può essere utilizzato sia in configurazione punto-punto (P2P) che in una topologia multi-drop, un vantaggio fondamentale rispetto agli standard Ethernet legacy, che richiedono connessioni P2P.
Una configurazione multi-drop elimina la necessità che ogni collegamento tra due dispositivi della rete abbia una propria connessione dedicata punto-punto. Ciò riduce la complessità del cablaggio, i costi e il peso, permettendo al 10BASE-T1S di offrire una trasmissione dati robusta, adatta alle esigenze delle applicazioni industriali. La Figura 1 mostra una topologia multi-drop per un sistema 10BASE-T1S, che supporta un minimo di otto nodi. I nodi possono essere collegati in linea con il segmento di miscelazione o alla fine di diramazioni con una lunghezza massima consigliata di 10 cm.
Figura 1: topologia multi-drop 10BASE-T1S, segmento di miscelazione
Per le fabbriche intelligenti, l’adozione del 10BASE-T1S migliora l’interoperabilità e l’integrazione con i sistemi esistenti, facilitandone l’implementazione. Rispetto alle reti Ethernet punto-punto, offre un consumo energetico ridotto grazie a caratteristiche tecniche come la capacità di spegnere il trasmettitore PHY quando non si inviano dati.
Sebbene la specifica IEEE 802.3cg non definisca l’alimentazione attraverso linee dati (PoDL) per segmenti multi-drop, è possibile trasportare alimentazione DC insieme ai dati Ethernet sullo stesso cavo. Questo sistema “Engineered PoDL” fornisce alimentazione su linee dati per un segmento multi-drop 10BASE-T1S senza un protocollo di negoziazione. Anche se il PoDL multi-drop 10BASE-T1S è già pronto all’uso oggi, lo standard IEEE 802.3da formalizzerà ufficialmente questa funzione e si prevede che sarà ratificato entro la fine del 2024 o il primo trimestre del 2025.
Connettività per Factory 5.0
Il numero di sensori, attuatori e altri dispositivi connessi nelle fabbriche è già aumentato notevolmente e si prevede che raggiungerà oltre 200 milioni entro il 2030 (rispetto agli 81,7 milioni del 2020). Sebbene alcuni di questi dispositivi si connetteranno in modalità wireless, vi sarà una grande richiesta di reti cablate robuste, soprattutto con l’impiego crescente dell’intelligenza artificiale (AI) nei dispositivi edge delle fabbriche intelligenti.
Come menzionato, l’arrivo dell’Ethernet 10BASE-T1S sta rapidamente sostituendo le tecnologie fieldbus legacy nelle fabbriche intelligenti per fornire comunicazioni cablate affidabili, in particolare per Factory 4.0. Integrando senza soluzione di continuità sistemi diversi su una rete unificata, il 10BASE-T1S elimina la necessità di gateway ingombranti.
La riduzione dei requisiti di cablaggio del 10BASE-T1S contribuisce a una rete più leggera e agile, oltre a ridurre i costi. Guardando oltre Factory 4.0, il 10BASE-T1S sarà uno degli standard di connettività cablata del futuro nell’automazione industriale, stabilendo le basi per Factory 5.0.
In un esempio, un cliente onsemi ha utilizzato il 10BASE-T1S per la propria rete di fabbrica intelligente. Questo ha drasticamente ridotto la complessità del cablaggio e il tempo di implementazione necessario, grazie alla transizione da dispositivi elettromeccanici a versioni elettroniche in rete. Rispetto alle reti P2P non Ethernet, la topologia multi-drop del 10BASE-T1S è stata un fattore determinante per ottenere questa riduzione.
Con meno cablaggi richiesti, un sistema 10BASE-T1S come questo può ridurre lo spazio necessario nei quadri elettrici e risparmiare spazio prezioso sul pavimento. Anche le riparazioni diventano più semplici, poiché non è necessario identificare, aggiungere o rimuovere fili discreti.
Il contributo di onsemi alla tecnologia 10BASE-T1S
La famiglia di controller Ethernet 10BASE-T1S di onsemi offre affidabilità e prestazioni per reti multi-punto in ambienti industriali esigenti.
L’NCN26010 è un transceiver Ethernet conforme allo standard IEEE 802.3cg. Include un controller di accesso ai media (MAC), un livello di riconciliazione per l’evitamento delle collisioni fisiche (PLCA RS) e un PHY 10BASE-T1S progettato per Ethernet industriale multi-drop. Fornisce tutte le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati su una singola coppia twistata non schermata.
L’NCN26000 fornisce anche le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati su una singola coppia twistata non schermata e comunica con i controller MAC Ethernet esistenti tramite un’interfaccia standard media-independent (MII). Ciò consente l’uso con infrastrutture esistenti e dispositivi più complessi (FPGA o basati su SoC), rendendo i dispositivi 10BASE-T1S compatibili con FPGAs a bassa-media complessità.
Gli NCN26010 e NCN26000 contribuiscono a ridurre fino al 71% il cablaggio fisico, aumentando la larghezza di banda. Essi consentono di ridurre significativamente il tempo di cablaggio rispetto alle soluzioni cablate tradizionali e offrono capacità avanzate di reportistica dei dati, migliorando l’efficienza complessiva. La loro forma compatta permette opzioni di installazione flessibili all’interno degli armadi, ottimizzando l’uso dello spazio.
Nel complesso, questi dispositivi migliorano l’affidabilità, la scalabilità e la versatilità delle reti industriali. La flessibilità e la scalabilità dell’architettura dei controller 10BASE-T1S sono evidenziate dalle due opzioni mostrate nella Figura 2.
Figura 2: Tre controller 10BASE-T1S, MAC+PHY e solo PHY
L’NCN26010 con MAC, PHY e PLCA richiede solo 5 pin SPI per un MCU associato. Anche se la specifica IEEE 802.3cg prevede il supporto per un massimo di 8 nodi e 25 metri di distanza, esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che i controller onsemi possono supportare il doppio di tali requisiti. Utilizzando la funzione proprietaria di Immunità al Rumore Avanzata (ENI) di onsemi, l’NCN26010 può raggiungere fino a 50 metri con 16 nodi o fino a 60 metri con sei nodi. Con una selezione accurata di cavi e connettori, è possibile ottenere distanze ancora maggiori e/o più nodi.
Conclusione
Nelle fabbriche intelligenti odierne, il 10BASE-T1S sta ridefinendo la connettività, offrendo uno standard di rete robusto ed efficiente in grado di sostituire le reti legacy frammentate.
Grazie alla tecnologia avanzata di onsemi, realizzata nei suoi dispositivi MAC/PHY NCN26010 e PHY NCN26000, le esigenze di connettività di Factory 4.0 sono facilmente soddisfatte, tracciando un percorso verso Factory 5.0 e oltre.
