Industrial Ethernet e i suoi ‘fratelli’

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Profinet, Ethernet/IP, Powerlink, CC-Link IE, Ethercat, solo per citarne alcuni, sono gli standard Industrial Ethernet che si ‘contendono’ il primato nel campo della comunicazione industriale. Quale soluzione scegliere?

L’evoluzione dell’ambiente industriale è stata significativamente influenzata dall’introduzione dell’Ethernet industriale, un sistema che ha rivoluzionato le comunicazioni nel settore, permettendo una trasmissione affidabile, realtime e deterministica tra dispositivi di automazione e controllo. Questo importante progresso è stato reso possibile grazie all’implementazione di una serie di soluzioni tecniche e tecnologiche nei protocolli specifici, tra cui Profinet, Ethernet/IP, Powerlink, CC-Link IE ed Ethercat. Questi protocolli, basati sullo standard Ieee 802.3, offrono una serie di vantaggi fondamentali per l’ambiente industriale, come velocità elevate, scalabilità e interoperabilità con dispositivi di rete standard. Tuttavia, per soddisfare le esigenze di comunicazione realtime e determinismo richieste dalle applicazioni industriali, è stato necessario sviluppare ulteriori soluzioni tecniche. I protocolli citati poco fa, per esempio, sono stati progettati appositamente per garantire comunicazioni realtime e determinismo, implementando meccanismi specifici per gestire la priorità dei pacchetti e assicurare tempi di trasmissione consistenti e prevedibili. Il concetto di determinismo, spesso definito anche Isochronous RealTime (IRT), è di fondamentale importanza per garantire prestazioni affidabili nei contesti industriali. Per garantire tale determinismo è cruciale sincronizzare gli orologi di tutti i dispositivi sulla rete. A tal fine, i protocolli Ethernet industriali utilizzano tecniche sofisticate come il PTP (Precision Time Protocol), che sincronizza l’orologio di rete con alta precisione, consentendo la coordinazione precisa delle attività e garantendo prestazioni elevate in termini di jitter garantiti. La scelta dei protocolli a base Ethernet offre, inoltre, la possibilità di gestire una vasta gamma di configurazioni di rete, tra cui topologie a stella, ad anello o lineari, che possono essere adattate alle specifiche esigenze dell’applicazione. Inoltre, i protocolli Ethernet industriali implementano meccanismi avanzati di gestione del traffico, per garantire che i pacchetti critici vengano trasmessi senza ritardi. Ciò può includere l’uso di Vlan (Virtual local area network) per separare il traffico critico da quello non critico, e la prioritizzazione dei pacchetti in base alle esigenze dell’applicazione.

I protocolli più diffusi

Nel panorama della comunicazione industriale, negli anni si sono sviluppati diversi protocolli di comunicazione che hanno implementato le scelte tecniche e tecnologiche per rendere Ethernet deterministico e realtime in modi differenti, per garantire prestazioni e soluzioni diverse a seconda delle applicazioni. In particolare, nello scenario dei protocolli di comunicazione a base Ethernet possiamo identificarne alcuni che, nel loro insieme, rappresentano la maggior parte del mercato: Profinet, Ethernet/IP, CC-link, Powerlink ed Ethercat. Vediamoli nello specifico.

− Profinet: è un protocollo di comunicazione industriale sviluppato dall’associazione PI-Profibus&Profinet International; è progettato per consentire una comunicazione realtime e deterministica tra dispositivi di automazione e controllo, facilitando l’integrazione di dispositivi di campo, controllori e sistemi di automazione;

− Ethernet/IP: è un protocollo sviluppato da Odva (Open Devicenet Vendor Association) che offre interoperabilità tra dispositivi di diversi fornitori; supporta le comunicazioni realtime attraverso il CIP (Common Industrial Protocol), facilitando la comunicazione tra dispositivi industriali;

− Powerlink: è un protocollo sviluppato da Epsg (Ethernet Powerlink Standardization Group) che offre un’elevata precisione temporale e gestisce applicazioni ad alta velocità e alta precisione, come la lavorazione dei metalli; si basa su Ethernet standard e offre una struttura aperta e flessibile per le applicazioni industriali;

− CC-Link: è una famiglia di protocolli di comunicazione industriale sviluppati dalla Clpa (CC-Link Partner Association). CC-Link IE (Control and Communication Link Industrial Ethernet) è la versione basata su Ethernet di questo protocollo, che offre prestazioni in tempo reale e supporta l’integrazione di dispositivi di automazione e controllo;

− Ethercat (Ethernet for Control Automation Technology): è un protocollo sviluppato da ETG (Ethercat Technology Group) che offre bassa latenza e determinismo elevato grazie alla sua architettura a catena; è particolarmente adatto per applicazioni ad alta velocità e sincronizzazione, come nel settore della robotica industriale e della macchina utensile. Il fatto che esistano diversi protocolli, come è sempre avvenuto anche in passato per quelli a base seriale, è sempre stato legato alla tipologia di mercato cui la specifica soluzione è rivolta e, soprattutto, alla tipologia di prestazioni richieste. Sicuramente, il fatto di avere protocolli diversi, ma tutti a base Ethernet, ne facilita l’integrazione e semplifica la gestione dei dati, in quanto consente di gestire un’unica infrastruttura di comunicazione e poi di ‘trasformare’ i dati nei diversi protocolli solo a livello applicativo, per mezzo di driver di comunicazione o, comunque, con l’impiego di componenti software.

I vantaggi offerti da Industrial Ethernet…

L’Ethernet industriale offre una serie di vantaggi cruciali, che lo rendono la scelta preferita per le reti industriali. Prima di tutto, garantisce una velocità elevata e una larghezza di banda sufficiente per gestire il crescente volume di dati generati dai dispositivi industriali. Questo è fondamentale per sostenere applicazioni ad alta intensità di dati, come il controllo dei processi di produzione, la robotica industriale e l’Internet delle Cose (IoT) industriale (IIoT). Inoltre, Ethernet offre una maggiore flessibilità e scalabilità rispetto alle tecnologie di comunicazione tradizionali: le reti Ethernet possono essere facilmente espandibili per includere un numero crescente di dispositivi e apparecchiature, consentendo una rapida adattabilità alle mutevoli esigenze di produzione e una migliore gestione delle risorse. altra ragione chiave per l’adozione diffusa dell’Ethernet industriale è la sua interoperabilità: gli standard Ethernet ben definiti e ampiamente adottati consentono la comunicazione senza problemi tra dispositivi di diversi fornitori, riducendo la dipendenza da produttori specifici e facilitando l’integrazione di sistemi eterogenei. La comunicazione Ethernet offre anche una maggiore affidabilità rispetto alle tecnologie di comunicazione legacy: le reti Ethernet possono essere progettate con ridondanza e tecniche di ripristino automatico che riducono al minimo i tempi di inattività e garantiscono la continuità operativa critica per le operazioni industriali. Infine, l’Ethernet industriale fornisce una piattaforma unificata per la convergenza delle applicazioni industriali e IT, il che permette una maggiore integrazione tra i sistemi di automazione e controllo e i sistemi di livello superiore, facilitando la raccolta e l’analisi dei dati lungo l’intera azienda, per prendere decisioni più rapide e informate.

…e qualche svantaggio

Pur rappresentando una solida fondazione per le moderne infrastrutture manifatturiere, l’implementazione e la gestione di reti Ethernet industriali presentano diversi ostacoli, che richiedono una seria considerazione e competenza tecnica. Una delle principali sfide risiede nella complessità delle reti Ethernet industriali: la crescente integrazione di dispositivi e sistemi, insieme alla varietà di applicazioni e tecnologie connesse, aumenta la complessità delle infrastrutture di rete; gestire questa complessità richiede una pianificazione attenta, una progettazione robusta e una costante manutenzione, per garantire un funzionamento ottimale delle reti. Il monitoraggio delle prestazioni di rete, la diagnosi dei problemi, l’ottimizzazione della larghezza di banda e la pianificazione delle capacità sono solo alcune delle attività cruciali che richiedono risorse e competenze specializzate. Un’altra sfida significativa è rappresentata dalla sicurezza delle reti Ethernet industriali. Con la crescita dell’Industria 4.0 e la sempre maggiore interconnessione tra sistemi industriali e IT, le reti Ethernet diventano un obiettivo sempre più allettante per attacchi informatici e minacce alla sicurezza. Proteggere le reti da queste minacce richiede l’implementazione di robuste politiche di cybersecurity, tecnologie di crittografia avanzate e monitoraggio costante delle attività sospette.

Verso un super-protocollo?

Questi nuovi scenari, che si prospettano all’orizzonte, porteranno come conseguenza della loro implementazione a una convergenza dei meccanismi impiegati oggi dai diversi protocolli Ethernet industriali per approdare a un nuovo ‘super-protocollo’, che implementi funzionalità diverse, quali: gestione del realtime e del determinismo (abbiamo già in essere il protocollo TSN), interoperabilità legata alla semantica dei dati (progetto IEC in via di sviluppo da diverso tempo) e soprattutto gestione integrata della security secondo gli standard di riferimento IEC62443. Soltanto i prossimi anni ci potranno dire se stiamo effettivamente arrivando a una convergenza di questo tipo.

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