Hardware e software per il cablaggio e il monitoraggio delle reti industriali: ecco gli accorgimenti da adottare per realizzare infrastrutture dati industriali a regola d’arte
Quanta importanza viene data in fase di progettazione alla scelta del cavo dati? È bene sottolineare che dotarsi della componentista corretta in campo dati è fondamentale quanto lo è nei cavi di controllo e comando, sulla base dell’applicazione e dell’uso. In particolare, ora che usiamo ampiamente tecnologie ‘Ethernet based’ anche in ambito industriale, una delle difficoltà nasce dal fatto che l’offerta di cavi Ethernet sul mercato è estremamente ampia, così come l’attrattività di soluzioni nate per il mondo IT/cablaggio strutturato e che, a prima vista, possono sembrare idonee anche al mondo industriale. Questo articolo vuole essere una semplice guida che aiuti a realizzare infrastrutture dati industriali a regola d’arte.
Come scegliere il cavo dati ideale
Tipicamente, un eventuale problema alla comunicazione di rete si verifica in modo randomico: per essere sicuri che non sia causato dalla componentistica passiva è cruciale investire sulla qualità dell’infrastruttura a livello fisico. Oggi, le reti sono sempre più parte fondamentale di tutti i moderni sistemi di automazione e, quando manca un’adeguata progettazione, le conseguenze possono essere anche molto gravi. Di seguito le principali anomalie che potremmo riscontrare:
− fermo macchina;
− sovraccarichi ed errori di rete;
− dispositivi non raggiungibili;
− instabilità della connessione cavo/connettore;
− danneggiamento della guaina o isolamento;
− rottura del cavo.
Gli aspetti costruttivi da prendere in considerazione nella progettazione per evitare possibili stress sui cavi sono numerosi. È fondamentale scegliere sempre soluzioni costruite per l’ambito industriale ed è sempre bene fare riferimento alle norme o agli standard. Infatti, mentre per le reti usate per il cablaggio strutturato lo standard di riferimento è la ISO/ IEC11801, per il mondo industriale bisogna fare riferimento alla IEC61918 (si veda figura 1).
Tra le sfide specifiche che presenta il mondo industriale spicca la necessità di proteggere i dati dai campi elettromagnetici (EMC). Fra le principali tipologie costruttive dei cavi dati in rame troviamo (si veda figura 2):
− cavo non schermato (UTP o U/UTP) non adatto al mondo industriale;
− cavo con singola schermatura sul totale, in calza di rame (S/UTP) o in foglio di alluminio (F/UTP);
− cavo con doppia schermatura sul totale, in calza di rame e foglio di alluminio (SF/UTP) o con schermatura sul totale e sulle singole coppie (S/FTP).
La doppia schermatura permette di coprire lo spettro di frequenza più ampio possibile, poiché la calza di rame e il foglio di alluminio hanno poteri schermanti differenti ma complementari. Inoltre, è importante ricordare che fermarsi alla sola sigla costruttiva non è sufficiente; la schermatura in calza di rame, per essere adeguata all’ambiente industriale, deve avere un grado di copertura di almeno il 70%.
Valutata la schermatura, bisogna tenere in considerazione la resistenza del cavo agli stress meccanici, come abrasione, piega, torsione ecc. La costruzione del trefolo di rame è uno dei parametri fondamentali (si veda figura 3): valutare sempre l’applicazione permette di scegliere la soluzione ideale, esattamente come avviene per i cavi di alimentazione. Alcune indicazioni base da seguire sono:
− per la posa fissa è sufficiente un conduttore in rame pieno;
− in caso di movimento occasionale è bene scegliere un trefolo flessibile a 7 fili;
− i cavi sottoposti a stress meccanico continuativo, piega o torsione devono avere un trefolo a 19 fili.
Nei cavi per posa mobile non è solo fondamentale che il conduttore di rame resti integro nel tempo, ma anche che le coppie del cavo mantengano invariata la loro geometria, poiché la corretta twistatura è fondamentale per la trasmissione di un segnale di qualità. Importante poi sottolineare che non tutti i cavi sono idonei a sopportare gli stress di tipo ambientale, come le temperature estreme, la presenza di oli o agenti chimici. È bene quindi assicurarsi che i materiali di cui è composta la guaina esterna siano adatti all’applicazione. In questo caso, i materiali tipicamente utilizzati sono i medesimi dei cavi di controllo e comando; quindi, per esempio, per un’elevata resistenza agli oli e agli stress meccanici è fondamentale selezionare un cavo con guaina esterna in poliuretano (PUR).
Come scegliere il connettore ideale
Anche nel mondo industriale il connettore più utilizzato per i cavi Ethernet a coppie twistate resta il connettore 8P8C (8 posizioni 8 contatti), poiché ampiamente presente nei componenti attivi di rete, anche industriali. Questo connettore, comunemente ma erroneamente chiamato RJ45 (Registered Jack 45), essendo nato nel mondo delle telecomunicazioni, non ha una resistenza elevata agli stress meccanici, né particolare tenuta alle polveri/ liquidi (IP). Per limitare i problemi di instabilità nel tempo è quindi utile optare per un connettore in metallo, più robusto e in grado di garantire anche una migliore schermatura rispetto al più diffuso connettore plastico. In caso di cablaggio in campo non bisogna trascurare, poi, la verifica della compatibilità tra connettore e tipologia di conduttore del cavo che, se sottovalutata, potrebbe causare problemi non sistematici e complessi da indagare. A oggi la tecnica di connessione più usata è realizzata con il metodo della perforazione di isolamento (IDC). Esistono quindi sul mercato connettori RJ45 specifici per cavi con conduttore rigido o dedicati a trefoli extraflessibili. Per limitare l’insorgenza di problemi, la richiesta del mercato si sta spostando sempre più verso prodotti plug&play, garanzia di abbinamento corretto e di maggiore resistenza e tenuta nel tempo, grazie anche al sistema di connessione tra pin e conduttore realizzata con crimpatura o saldatura. Al fine di superare i limiti del connettore RJ45, in ambito industriale si sta affermando il connettore M12, idoneo a raggiungere il grado IP69 e con un’elevata resistenza alle vibrazioni grazie, per esempio, a meccanismi di anti-svitamento. Sono quindi state definite due codifiche specifiche per il mondo Ethernet, D e X, in grado di supportare differenti velocità di comunicazione (si veda figura 4). Infine, è importante eseguire l’abbinamento dei conduttori sui pin del connettore sulla base di standard definiti (si veda figura 5). Qui di seguito riportiamo un utile schema, in particolare per le combinazioni tra connettori di tipologia diversa.
Seguire le specifiche del protocollo
Ricordiamo che tutte le principali associazioni che promuovono dei protocolli industriali (Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, CC-Link ecc.) hanno rilasciato delle linee guida specifiche sul cablaggio, che possono ulteriormente aiutare a scegliere componenti passivi idonei e conformi alle diverse applicazioni. Inoltre, non bisogna mai dimenticare che Ethernet prevede regole ben precise sulla distanza: massimo 100 m, sia come channel che come end-to-end link, utilizzando cavi di sezione AWG22 rigidi. In caso di sezioni più piccole, come per esempio AWG24 o AWG26, e/o di conduttori flessibili, la distanza massima si riduce, anche del 40%.
Garantire l’affidabilità della rete nel tempo
Anche i componenti passivi non sono ‘eterni’, specialmente quando sono installati in ambienti gravosi: per questo esistono degli strumenti che permettono di valutare lo ‘stato di salute’ della componentistica passiva in tempo reale. La soluzione proposta da Lapp, Etherline Guard, per esempio, è un dispositivo IIoT in grado di monitorare le prestazioni dei cavi Ethernet durante il normale funzionamento della macchina. Le applicazioni sottoposte a elevato stress meccanico, come catene portacavi, robot o processi critici, sono quelle dove il monitoraggio può portare maggiore valore: seppure a volte sottovalutato, il buono stato del livello fisico è sinonimo di migliore stabilità, performance elevate, produttività ed efficienza.
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