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MAGGIO 2023 FIELDBUS & NETWORKS 31 Fieldbus & Networks (Pcfe). Lo standard definisce una tecnologia di prelazione per il traffico Ethernet, che consente di interrompere temporaneamente il flusso di dati in transito in favore di pacchetti ad alta priorità. In pratica, questa funzio- nalità consente di garantire un’allocazione più efficiente delle risorse di rete e di migliorare le prestazioni delle applicazioni critiche. Implementa un approccio simile alla metafora in cui si riempie un barattolo con rocce, ghiaia e sabbia. Questa tecnica di prelazione è particolarmente utile in ambito industriale, proprio perché la gestione del traffico è essenziale per il funzionamento di processi automatizzati. In un impianto di produzione, per esempio, la prelazione consente di garantire che i pacchetti di con- trollo degli attuatori vengano trasmessi senza ritardi, mentre i pacchetti di monitoraggio e diagnostica possono essere temporaneamente interrotti senza compromettere l’operatività dell’impianto. Chiaramente, perché si possa impiegare questo approccio, tutti i dispositivi connessi alla rete TSN, dai nodi agli switch di rete, devono supportare Pcfe. − Affidabilità e ridondanza Per incrementare l’affidabilità delle reti Ethernet in ambienti critici è stato inserito all’interno di TSN lo standard Ieee 802.1CB, noto anche come ‘Frame Replication and Elimination for Reliability’ (Frer). Questo definisce una tecnologia di replicazione dei frame Ethernet, che consente di inviare più copie di un frame su percorsi di rete diversi, in modo da ridurre la pro- babilità di perdita di pacchetti. La tecnologia di replicazione dei frame è particolarmente utile in ambienti dove la sicurezza e l’affidabilità sono es- senziali, come per esempio nei sistemi di controllo di sicurezza industriale, nei sistemi di automazione di aerei o treni ecc. La tecnologia Frer utilizza il concetto di ‘Elimination Bridge’ per eliminare le copie superflue dei frame Ethernet, inviando solo una copia del frame al destinatario finale. Il profilo TSN per l’automazione industriale La complessità dello standard TSN e la sua inerente flessibilità ne permet- tono l’adattamento per l’impiego nei diversi campi applicativi di interesse. Questo si ottiene con la definizione di diverse configurazioni, chiamate ‘profili’ TSN, che definiscono quali parti dello standard verranno impiegate e con quali parametri di configurazione. Il profilo TSN per l’automazione industriale è chiaramente il più rilevante, e viene spesso indicato con TSN-IA. Viene definito da un lavoro di standardizza- zione congiunto tra Ieee e IEC, che prende il nome di Ieee/IEC60802, il quale si occupa anche di identificare i casi d’uso significativi per l’automazione in- dustriale. Viene infatti svolta un’analisi dettagliata delle funzioni richieste per diverse tipologie di rete industriale, e per ognuna di esse viene specificata una regolazione fine dei parametri protocollari. Viene per esempio prestata una notevole attenzione ai problemi di sincronizzazione e temporizzazione legati allo standard Ieee 802.1AS, alle funzionalità Energy Efficient Ethernet (EEE) e alle nuove opzioni di gestione delle code dei pacchetti e del meccani- smo di frame preemption. Nuovi orizzonti: TSN in applicazioni wireless Lo sviluppo di tecnologie wireless sempre più efficienti sta assumendo un’im- portanza fondamentale anche nello scenario dell’automazione di fabbrica, per garantire una maggiore mobilità e una connettività continua in aree dif- ficilmente raggiungibili via cavo. In effetti, la comunicazione wireless rap- presenta un attore chiave nell’Industria 4.0, introducendo diversi vantaggi, come la flessibilità, la riduzione dei costi di manutenzione e installazione, la riduzione dei guasti della rete. Negli ultimi anni, anche il wi-fi si è rivelato un’alternativa promettente nell’automazione di fabbrica in quanto, rispetto ad altre soluzioni wire- less, offre la possibilità di far fronte ai requisiti di temporizzazione sem- pre più stringenti dei moderni sistemi di controllo, grazie a una banda maggiore e a tecniche protocollari che consentono di incrementarne l’af- fidabilità. In alcune applicazioni industriali avanzate, per esempio, si ha la necessità di implementare anelli di controllo con un periodo prossimo a 1-2 ms, non gestibile da altri sistemi wireless industriali. Come rendere il wi-fi adeguato ai severi requisiti dell’automazione industriale è un campo di ricerca ancora aperto, anche se, in generale, si punta all’impiego di reti ibride cablate/wireless, integrando reti TSN con alcuni segmenti wi-fi. Infatti, come già evidenziato, lo standard TSN ha ridefinito soprattutto l’architettura di rete (standard Ieee 802.1) e, quindi, in linea teorica è un cambiamento che riguarda tutte le reti definite dalla serie di standard Ieee 802.x, tra cui wi-fi appunto. Tuttavia, il riferimento principale per lo sviluppo di TSN è stato fin dall’inizio la rete cablata Ethernet per alcune sue peculiarità specifiche. Tuttavia, vi sono diversi sforzi in campo per la realizzazione di reti wi-fi TSN, alcuni molto promettenti. Le difficoltà tecniche da risolvere in quest’ambito riguardano il fatto che, a differenza di una rete cablata, la rete wi-fi ha un canale prevalentemente ‘half-duple’ e una probabilità di perdita dei pac- chetti molto più elevata, a causa di interferenze e problemi di copertura del canale wireless. Ciononostante, alcune caratteristiche di rilievo di TSN sono già operanti su reti wi-fi (di sesta generazione), come la sincronizza- zione con 802.1AS, e la gestione delle code di Ieee 802.1Qbv. A questo proposito, esistono già alcune implementazioni molto avanzate di queste reti, che tipicamente prendono il nome di Wtsn (Wireless TSN), con alcuni dispositivi già disponibili da parte di Intel ( www.intel.com/content/www/ us/en/research/blogs/wireless-time-sensitive-networking.html ). Un ulteriore ambito di sviluppo di TSN riguarda le reti 5G (e il futuro 6G). In questo caso parliamo di architetture e tecnologie completamente diverse, ma l’interesse da parte di 3GPP, l’ente regolatore nell’ambito 5G, è molto forte, tanto che vi sono gruppi di lavoro condivisi ed è prevista per la pros- sima Release-17 di 5G una piena integrazione di TSN nelle reti mobili. Considerazioni finali Quando ci riferiamo allo standard TSN, in realtà, guardiamo a un progetto estremamente complesso, dove diversi sotto-standard interagiscono tra loro per ridefinire dalle fondamenta l’intera architettura Ethernet che co- nosciamo. Solo un sottoinsieme di essi è di interesse per l’automazione industriale, e il profilo TSN-IA si occupa specificamente di definirne ambiti applicativi e parametri. TSN guarda inoltre intrinsecamente anche alle tecnologie wireless, in par- ticolare al wi-fi. La prossima versione di wi-fi (settima generazione, nota come Ieee 802.11be) introdurrà ulteriori feature per il supporto del traffico time-sensitive, che permetteranno di ottenere prestazioni sempre più simili alle reti TSN cablate. Molti attori di rilievo in ambito industriale hanno già incluso le specifiche TSN nei loro standard, come Profinet e CC-Link IE TSN, e nei cataloghi si ini- ziano a trovare i primi prodotti compatibili, da parte di Moxa, Hirschmann, TTTech e molti altri. La potenza di questo approccio sta nell’aver eliminato, una volta per tutte, la necessità (e a volte il pretesto) di introdurre modifi- che o adattamenti protocollari, proprietari e talvolta molto fantasiosi, per rendere la rete adatta alle necessità degli impianti industriali.