Ethernet per il processo

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Stato dell’arte della digitalizzazione nel campo del processo: Ethernet-APL è una soluzione basata su industrial ethernet pensata per soddisfare le esigenze dell’automazione di processo

Qualsiasi impianto per il controllo di processo, che sia di nuova progettazione o esistente, non può prescindere dall’uso delle nuove tecnologie per le comunicazioni industriali, che permettono non solo di monitorare in maniera pervasiva e in tempo reale quello che sta accadendo, con vantaggi innegabili dal punto di vista dell’efficienza produttiva e della riduzione dei fermi impianto, ma si traduce anche in un’efficace riduzione del costo per dispositivo. È quest’ultimo un risultato che può essere raggiunto rendendo più semplice e intuitiva l’installazione, la configurazione e la manutenzione della strumentazione sul campo, requisiti tanto più importanti se si considera la crescente complessità degli impianti attuali e, a maggior ragione, di quelli futuri. Fin dall’avvento dei primi fieldbus, i dispositivi di campo sono diventati intelligenti, permettendo di ottenere grandi quantità di informazioni relative alla diagnostica e ai dati di manutenzione, in aggiunta alle variabili di processo. La loro adozione sempre più massiccia si è però tradotta in flussi di traffico dal campo via via più consistenti, la cui gestione efficiente richiede approcci innovativi. La sfida odierna per gli operatori è quindi quella di estrarre le sole informazioni utili dalla mole informe di dati raccolti, riassumendole in figure di merito capaci di sintetizzare lo stato dell’impianto. Un’operazione questa che si traduce tradizionalmente in un esborso (aggiuntivo) in termini di tempo, costo e competenze, per combinare e integrare un numero rilevante di protocolli di comunicazione differenti (e relativi livelli fisici sottostanti), che spesso includono estensioni specifiche del fornitore, piuttosto che soluzioni chiuse/proprietarie, incompatibili con le altre. In questo contesto, sarebbe auspicabile poter disporre di una singola tecnologia di comunicazione, in grado di soddisfare i requisiti di sicurezza intrinseca propri dell’automazione di processo e di supportare, fin da subito, le possibili richieste delle applicazioni future. Ovviamente, questa tecnologia non potrà essere proprietaria, perché vincolerebbe alle soluzioni e prodotti offerti dallo specifico fornitore, ma dovrebbe essere basata su standard di settore aperti e diffusi, che consentirebbero agli utilizzatori di scalare la loro applicazione facilmente e di stare al passo con l’evoluzione delle esigenze aziendali.

Uno standard esiste già

Volendo trarre ispirazione dal mondo office, si può affermare, senza tema di smentita, che il pilastro fondamentale dell’infrastruttura di comunicazione di qualunque applicazione IT è, ormai da decenni, Ethernet. In un’ottica di convergenza verso l’adozione di questa tecnologia anche in ambito industriale, abbiamo assistito negli anni alla comparsa di diversi standard, genericamente conosciuti come ‘Industrial Ethernet’, che (ri) utilizzano Ethernet come livello fisico. Sarebbe pertanto naturale immaginare che anche la strumentazione di processo migrasse verso tale tecnologia. Ovviamente, a patto di soddisfare requisiti quali la capacità di operare in ambienti gravosi, possibilmente in atmosfera esplosiva, e con tempi di ciclo compresi in un intervallo tra i 10 ms e i 2 s (come suggerito dalle raccomandazioni Namur). In realtà, una tale soluzione esiste già ed è Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). È un esempio di comunicazione di tipo Single Pair Ethernet (SPE), quindi basata su un doppino conforme alle specifiche IEC60079 (Two-Wire Intrinsically Safe Ethernet, 2-Wise), che lo rendono sicuro anche per le applicazioni in ambienti pericolosi. Più precisamente, Ethernet-APL è destinato principalmente a interfacciare dispositivi di campo (sensori e attuatori) a una rete di controllo basata su un’infrastruttura di tipo Industrial Ethernet. La comunicazione è full-duplex e il data rate è pari a 10 Mbps, ossia ordini di grandezza maggiori rispetto a quello offerto tipicamente da Hart, che si attesta a 1.200 bps, o alle decine di kbps offerti dai tradizionali bus di campo. Queste caratteristiche rendono Ethernet-APL una valida e significativa evoluzione delle soluzioni oggi in commercio, in grado di garantire il trasferimento di insiemi di dati anche molto complessi, come le informazioni diagnostiche generate dagli strumenti intelligenti utilizzati in settori in forte evoluzione, per esempio l’oil&gas o la gestione delle acque reflue. Un elemento fondamentale dell’infrastruttura Ethernet-APL è il power switch, il cui compito è interfacciare la rete Ethernet-APL a un’infrastruttura Industrial Ethernet tradizionale, che assume il ruolo di control network, oltre a fornire l’alimentazione per i dispositivi a essi connessi (le porte del power switch sono classificate proprio in base alla potenza erogabile). Tra i dispositivi figurano anche gli switch di campo, che sono connessi attraverso un trunk, che può raggiungere la lunghezza di 1.000 m. Agli switch di campo sono, infine, collegati, tramite degli spur (derivazioni), gli strumenti veri e propri (uno per ognuna di esse). È anche possibile avere uno switch di campo connesso direttamente alla rete Industrial Ethernet, così come possono esserci dispositivi che richiedono una linea di alimentazione separata. Una schematizzazione di quanto riportato è fornita nella figura 1. Inoltre, sono previsti sia i ‘dispositivi ausiliari’, per esempio i limitatori di sovratensione, che l’uso di ‘connessioni in linea’, quali le scatole di giunzione e i connettori da cavo a cavo, utili per unire due segmenti. Ovviamente, tali componenti causano riflessioni e perdita di inserzione al segmento di rete a cui sono connessi, e il loro numero deve essere limitato a massimo 2 dispositivi ausiliari e 10 o 4 connessioni in linea, a seconda che il segmento sia un trunk o uno spur.

Caratteristiche del cavo

Relativamente al mezzo fisico, Ethernet-APL sfrutta un cavo a doppino intrecciato bilanciato e schermato, con un’impedenza caratteristica di 100 Ω ±20%, in un intervallo di frequenza compreso tra 100 kHz e 20 MHz, in accordo a Astm D4566-05 o standard internazionale equivalente, come quello tipicamente utilizzato per Profibus PA e Foundation Fieldbus H1. I fili del doppino possono essere ad anima singola o multifilari, con un diametro compreso tra 26 AWG (0,14 mm²) e 14 AWG (2,5 mm²); il doppino è protetto da uno schermo (in treccia e lamina) e da una guaina. Il tipo di cavo di riferimento per i segmenti è il cavo MAU di tipo A dei bus di campo di tipo 1 e 3, come specificato nella IEC61158-2; in particolare, questo cavo soddisfa i requisiti per le applicazioni a sicurezza intrinseca (IS), come descritto nella IEC TS 60079-47, e può essere utilizzato anche in applicazioni non IS. I segmenti di cavo Ethernet-APL a sicurezza intrinseca devono essere contrassegnati per poter essere identificati facilmente; se le guaine a sicurezza intrinseca sono identificate dal colore, questo dovrebbe essere l’azzurro; di conseguenza, tutti gli altri segmenti possono avere una guaina di qualsiasi altro colore, a eccezione dell’azzurro. Nei casi in cui si utilizza un’infrastruttura già esistente, le performance della trasmissione devono essere garantite, in conformità alla ISO/IEC11801- 3. Più in dettaglio, per i cavi trunk devono essere utilizzati i valori limite della perdita di inserzione della ISO/IEC11801-3, mentre per i cavi di derivazione deve essere applicato un fattore di correzione pari a 0,2, così da ottenere una lunghezza massima dello spur di 200 m nel caso di cavo di categoria IV, che scendono a una lunghezza massima del trunk di 250 m e dello spur di 50 m per cavi di categoria I. Per quanto riguarda i connettori, la specifica prevede l’impiego di: terminali a vite o a molla/morsettiere modulari, connettori M12, e connettori M8, per impianti non IS.

Gli aspetti della comunicazione

L’ultimo aspetto da considerare nella selezione del dispositivo più adatto alla propria applicazione è il protocollo di comunicazione supportato. Infatti, Ethernet-APL definisce solamente il livello fisico della comunicazione, che può trasportare, nell’architettura protocollare a più livelli propria di ogni sistema di comunicazione, un differente protocollo Industrial Ethernet, ovvero Ethernet/ IP, Hart-IP, OPC UA, o Profinet, in base a quello effettivamente impiegato nella rete di controllo. In funzione, poi, delle esigenze dell’impianto, si possono implementare differenti topologie. Come già in parte anticipato, un possibile scenario vede la rete di controllo instradata agli switch di campo Ethernet-APL tramite fibra ottica, in quanto collegamenti in rame sono possibili, ma hanno estensione limitata a 100 m, mentre le fibre ottiche multimodali possono raggiungere distanze nell’ordine dei 2.000 m; tali switch devono essere alimentati da una fonte ausiliaria. Una variante prevede l’impiego di un trunk che si origina da un power switch, il quale fornisce anche l’alimentazione agli switch di campo e ai dispositivi; in questo caso, nel determinare la lunghezza di ogni singolo segmento occorre considerare: i) la tensione di uscita del power switch; ii) il numero degli switch di campo; ii) il numero dei dispositivi di campo e il loro consumo; iii) la sezione del cavo e la temperatura di esercizio, poiché la resistenza dipende dalla temperatura ambientale. In fase di progettazione è bene, inoltre, prevedere delle porte libere/di riserva negli switch per espansioni future, così come è buona norma considerare un margine nel dimensionamento della potenza erogata dei power switch. Relativamente al troubleshooting, è utile monitorare il traffico tramite analizzatori di rete che si avvalgono delle porte di mirror, in grado di copiare il flusso di dati che passa attraverso una porta dello switch sulla porta detta, appunto, di mirror, così da rendere accessibile al tool diagnostico il traffico da e verso i dispositivi Ethernet-APL. Nel caso di nuovi impianti è consigliabile non caricare il segmento del trunk più vicino alla rete di controllo, ovvero quello sul quale vengono scambiati più messaggi, con più del 20% del traffico dati ciclico, così da garantire sufficiente banda anche per il traffico aciclico e di controllo, anche in previsione delle espansioni dell’impianto che potranno aver luogo durante il suo ciclo di vita. Possibili strategie per diminuire il carico di rete sono l’aumento del tempo di ciclo (raddoppiarlo dimezza il carico), piuttosto che una riduzione del numero di dispositivi connessi a un segmento, utilizzando 2 segmenti indipendenti anziché 1. Nel caso di impianti browfield, si possono seguire diversi approcci per la migrazione a EthernetAPL. Nel caso di impianti basati su bus di campo quali Fieldbus H1 o Profibus PA, per esempio, si può immaginare di aggiornare il controllore con un dispositivo che preveda un’interfaccia di tipo Industrial Ethernet, e di riutilizzare i cablaggi esistenti, previa verifica delle loro prestazioni.

I vantaggi

In conclusione, Ethernet-APL è un nuovo livello fisico dello standard Ethernet pensato per trasportare sia l’alimentazione, sia i dati di processo, di configurazione e di diagnostica ad alta velocità su lunghe distanze, tramite un semplice doppino intrecciato in un cavo schermato. Ne consegue che questa tecnologia permette di semplificare l’installazione, la configurazione e la manutenzione delle apparecchiature e della strumentazione di processo, una priorità imprescindibile per ogni proprietario e/o gestore di impianto.

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