l’evoluzione delle fabbriche intelligenti
Arndt Schübel
Product Marketing Engineer, Analog & Mixed-Signal Group (AMG)
(onsemi)
Introduzione
Le altre fabbriche utilizzano in misura sempre maggiori tecnologie intelligenti, con dispositivi come macchine utensili, robot, azionamenti e sensori che generano, trasmettono e ricevono dati.
Per consentire a tutti questi dispositivi separati di comunicare tra loro in modo affidabile, nelle fabbriche è necessario adottare protocolli molto robusti. In passato, la comunicazione era basata su una gamma diversificata di protocolli di rete, tra cui HART, RS-485, Modbus, DeviceNet, ProfiBus e CAN. Questa frammentazione comportava il ricorso a un gateway costoso per collegare i diversi standard, mentre la manutenzione risultava complessa e costosa.
Nel panorama moderno, la rete Ethernet si sta rapidamente affermando come la struttura portante (backbone) di riferimento per le fabbriche. In questo articolo verranno esaminati i motivi per i quali 10BASE-T1S, uno standard Ethernet che richiede una singola coppia di fili, si sta rapidamente imponendo come il protocollo di comunicazione preferito da utilizzare in sostituzione delle soluzioni Ethernet tradizionali e cablate per l’automazione industriale .
10BASE-T1S: concetti fondamentali e vantaggi
Definito dalla specifica 802.3cg di IEEE, 10BASE-T1S è uno standard Ethernet esente da collisioni di tipo multi-drop (punto-multipunto). Lo standard prevede l’utilizzo di cavi SPE (Single-Pair Ethernet) intrecciati non schermati e, come suggerisce il nome stesso, supporta la velocità di trasferimento dati di 10 Mb/s, una velocità decisamente superiore rispetto a quella di numerosi reti “legacy” “”.
10BASE-T1S può essere utilizzato in una configurazione punto-punto (P2P) oppure in una topologia multi-drop: su tratta di un vantaggio chiave rispetto agli standard Ethernet “legacy” che richiedono connessioni di tipo P2P. Una configurazione multi-drop significa che non è necessario che ogni collegamento dedicato tra due dispositivi della rete abbia una propria connessione punto-punto. Ciò riduce la complessità del cablaggio, i costi e il peso e consente a 10BASE-T1S di offrire una trasmissione dati robusta adatta alle esigenze delle applicazioni industriali.
Nella figura 1 è riportata una topologia multi-drop per un sistema 10BASE-T1S che supporta un minimo di otto nodi. I nodi possono essere connessi in linea con i segmenti misti (mixing segment) o alle estremità degli stub (diramazioni) con una lunghezza massima raccomandata che può raggiungere i 10 metri.
Figura 1: Topologia multi-drop (a segmento misto) che utilizza un cavo SPE
Per le fabbriche intelligenti, l’adozione di 10BASE-T1S migliora l’interoperabilità e l’integrazione con i sistemi esistenti, facilitandone l’implementazione. Rispetto alle reti Ethernet punto-punto, garantisce consumi ridotti grazie a caratteristiche tecniche come ad esempio la possibilità di “spegnere” il trasmettitore PHY quando non vengono inviati dati.
Sebbene la specifica IEEE 802.3cg non definisca la trasmissione della potenza sulle linee dati (PoDL – Power over Data Line) per segmenti multi-drop, è possibile trasportare la potenza in continuo (DC) unitariamente ai dati Ethernet sullo stesso cavo. Questo sistema “Engineered PoDL” fornisce la potenza sulle linee dati per un segmento 10BASE-T1S multi-drop senza necessità di un protocollo di negoziazione. Anche se l’ “Engineered PoDL” per 10BASE-T1S multi-drop è già pronto per l’utilizzo, lo standard IEEE 802.3da formalizzerà ufficialmente questa funzione PoDL per 10BASE-T1S multi-drop che sarà protetta entro la fine del 2024 o il primo trimestre del 2025.
La connettività per la Fabbrica 5.0
Il numero di sensori, azionamenti e altri dispositivi connessi nelle fabbriche è già aumentato in modo considerevole e si prevede che supererà il traguardo di 200 milioni di unità entro il 2030 (rispetto agli 81,7 milioni del 2020) 1 . Sebbene alcuni di questi dispositivi si connetteranno in modalità wireless, vi sarà una grande richiesta di reti cablate robuste, soprattutto a causa del crescente utilizzo dell’intelligenza artificiale (AI) nei dispositivi periferici (edge) delle fabbriche intelligenti.
Come menzionato in precedenza, Ethernet 10BASE-T1S si sta rapidamente imponendo come la più valida alternativa alle tecnologie fieldbus (bus di campo) legacy per fornire comunicazioni cablate affidabili nelle fabbriche intelligenti , in particolare quelle che adottano il modello Factory 4.0. Grazie alla possibilità di integrare senza problemi sistemi diversi in una rete unificata, 10BASE-T1S elimina il ricorso a gateway ingombranti (e costoso). Grazie alla riduzione dei requisiti di cablaggio, 10BASE-T1S non solo contribuisce alla realizzazione di una rete più semplice e flessibile, ma anche a ridurre sensibilmente i costi. Nella proiezione futura, 10BASE-T1S sarà uno degli standard di connettività cablata per l’automazione industriale e costituirà uno dei pilastri della Factory 5.0 della prossima impresa.
Un’azienda cliente di onsemi, ad esempio, ha adottato 10BASE-T1S per la rete della sua fabbrica intelligente. Ciò ha contribuito a ridurre drasticamente la complessità del cablaggio e il tempo di installazione necessario, grazie alla sostituzione dei tradizionali dispositivi elettromeccanici con versioni elettroniche connesse in rete. Rispetto alle reti non Ethernet di tipo P2P, la topologia multi-drop di 10BASE-T1S è stato uno dei fattori chiave che hanno permesso di ottenere questo risultato.
Grazie alla riduzione del numero dei cablaggi, un sistema 10BASE-T1S permette di minimizzare gli ingombri all’interno degli armadi (cabinet), contribuendo a ottimizzare gli spazi all’interno della fabbrica. Le operazioni di riparazione, inoltre, risultano più semplici in quanto non è necessario identificare, aggiungere o rimuovere fili discreti.
Tecnologia 10BASE-T1S: il contributo di onsemi
La famiglia di controllori Ethernet 10BASE-T1S di onsemi assicura i livelli di affidabilità e prestazioni necessarie per le reti multi-punto utilizzate in ambienti industriali complessi.
Il dispositivo NCN26010 è un ricetrasmettitore Ethernet conforme allo standard IEEE 802.3cg. Esso integra un MAC (Media Access Controller), un sottolivello RS (Reconciliation Sublayer) PLCA (Physical Layer Collision Evitare) e un PHY 10BASE-T1S progettato per Ethernet industriale di tipo multi-drop. Ciò significa che mette a disposizione tutte le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati su un singolo doppino intrecciato non schermato
NCN26000 fornisce anche le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati su una singola coppia intrecciata senza schermata e comunica con i controllori MAC Ethernet che supportano velocità di 10 Mb/s in modalità half-duplex esistente tramite un’interfaccia standard MII (Media -Interfaccia indipendente). Ciò significa che è possibile utilizzare infrastrutture esistenti e dispositivi più complessi (basati su SoC o FPGA), permettendo l’impiego di dispositivi 10BASE-T1S con FPGA di complessità medio/bassa.
L’adozione di NCN26010 e NCN26000 contribuisce a ridurre il cablaggio fisico in misura fino al 71%, aumentando nel contempo la larghezza di banda. Essi consentono di diminuire in modo significativo il tempo di cablaggio rispetto alle soluzioni cablate tradizionali e funzionalità avanzate di rapporto dei dati, contribuendo a migliorare l’efficienza complessiva. Di dimensioni compatte, assicurano la massima flessibilità in termini di opzioni di configurazione all’interno degli armadi, ottimizzando l’uso dello spazio.
Nel complesso, con questi dispositivi è possibile migliorare l’affidabilità, la scalabilità e la versatilità delle reti industriali. Le due opzioni riportate nella figura 2 evidenziano i punti di flessibilità e scalabilità dell’architettura dei controllori 10BASE-T1S.
Fig. 2 – Controllori 10BASE-T1S che integrano i due livelli MAC+PHY e il solo livello PHY
Il dispositivo NCN26010 con MAC, PHY e PLCA richiede solo 5 pin SPI per la MCU associata. Anche se la specifica IEEE 802.3cg prevede il supporto per un massimo di 8 nodi e 25 metri di distanza, le prove di laboratorio hanno dimostrato che i controllori di onsemi possono supportare il doppio di tali requisiti. Utilizzando la funzione ENI (Enhanced Noise Immunity) proprietaria di onsemi, NCN26010 può supportare cavi di lunghezza massima di 50 metri con 16 nodi (o fino a 60 metri con sei nodi). Una selezione accurata di cavi e connettori consente di ottenere distanze e/o numero di nodi ancora maggiori.
Considerazioni conclusive
Nelle odierne fabbriche intelligenti, lo standard 10BASE-T1S sta ridefinendo la connettività, mettendo a disposizione uno standard di rete robusto ed efficiente in grado di sostituire la diversificata gamma di reti “legacy” esistente.
Grazie alla tecnologia avanzata di onsemi, integrata nei dispositivi NCN26010 (che prevede i livelli MAC/PHY) e NCN26000 (che prevede solo il livello PHY), è possibile non solo soddisfare in modo semplice le esigenze di Factory 4.0, ma supportare anche le future evoluzioni verso Factory 5.0 e oltre.
