SPE: stato dell’arte e prospettive

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Vediamo qui le caratteristiche e potenzialità di impiego delle due ‘varianti’ di Industrial SPE, delineandone l’impatto sul mondo industriale

Negli ultimi 20 anni, la diffusione di Ethernet come mezzo di collegamento principale per i sistemi di automazione e per l’acquisizione di dati di campo dalla rete è stata sempre più rilevante. I paradigmi Industria 4.0 e 5.0, così come la pervasiva necessità di soluzioni IIoT, hanno sostenuto l’adozione di queste tecnologie in contrasto alle classiche soluzioni basate su fieldbus, sia per ragioni di integrazione IT-OT, sia per semplificare la verticalizzazione delle reti industriali, sia per supportare il monitoraggio, la condivisione e l’analisi dei dati acquisiti in tempo reale da sensori e attuatori connessi. Questo ha anche fornito una piattaforma solida per portare nel mondo industriale nuove tecnologie, come l’intelligenza artificiale, il machine learning, i digital twin, la manutenzione predittiva, tutte tecnologie che possono incrementare la safety dei sistemi, ridurne i downtime e che, in generale, permettono di ottimizzarne la produttività attraverso la previsione automatica e l’inventario. Allo stesso tempo, la transizione verso Ethernet impone alcuni requisiti che inevitabilmente rendono più complesso questo processo, come per esempio la necessità di modificare la tipologia di cablaggi. In questo frangente, man mano che le reti industriali hanno visto una convergenza verso Ethernet, si è posta sempre più preponderante la questione di sviluppare soluzioni di cablaggio che consentano una significativa riduzione dei costi, un risparmio di spazio, una maggiore copertura e migliori prestazioni. Per soddisfare queste ultime esigenze, la tecnologia SPE-Single Pair Ethernet per il campo industriale è emersa come la soluzione maggiormente promettente. Essa si basa sulle specifiche dello standard Ieee 802.3cg-2019, in particolare del livello fisico 10Base-T1L. Dal punto di vista tecnologico si sfrutta un’unica coppia di fili in modo intelligente, per fornire sia l’alimentazione sia la comunicazione dei dati, consentendo la creazione di link a 10 Mb/s fino a 1.000 m. Un aspetto molto rilevante è che, pur sfruttando un mezzo fisico altamente disponibile nel mondo industriale, si può fornire uno strato fisico ‘neutro’ rispetto agli strati superiori, in grado, quindi, di trasportare qualsiasi protocollo industriale Ethernet based. Su questa base è stata successivamente sviluppata una variante, che sta avendo un impatto molto significativo, denominata Ethernet-APL (Advanced Physical Layer), concepita per l’automazione di processo in settori come gli impianti chimici o le raffinerie di petrolio, fornendo sicurezza intrinseca in ambienti potenzialmente esplosivi. In questo articolo verranno analizzate brevemente le principali caratteristiche delle due ‘varianti’ di industrial SPE esistenti, cercando di delinearne un confronto e di discuterne le potenzialità di impiego. Soprattutto, si cercherà di delineare l’impatto che queste tecnologie potranno portare nel mondo industriale.

Industrial SPE vs Ethernet-APL

Lo sviluppo di Single Pair Ethernet è stato spinto principalmente dall’industria automotive, che necessitava di cavi più piccoli, leggeri e che supportassero maggiore larghezza di banda, da utilizzare nei sistemi di cablaggio dei veicoli. I primi standard SPE sono stati 100Base-T1 (2015 Ieee 802.3bw) e 1000BaseT1 (2016 Ieee 802.3bu), che hanno anche incluso TSN (Time-Sensitive Networking) per garantire una bassa latenza, determinismo e la possibilità di alimentazione remota dei dispositivi. I mondi dell’automazione industriale e di processo hanno subito mostrato interesse per questi risultati, e si è formato il gruppo Ieee P802.3cg 10Mbps Single-Pair Ethernet Task Force, con l’obiettivo di sviluppare 10Base-T1S a corto raggio, che supportasse 10 Mbps fino ad almeno 15 m, e 10Base-T1L a lunga portata, fino ad almeno 1.000 m; questi rappresentano un’alternativa interessante ai tradizionali protocolli fieldbus e sono ideali per il collegamento a bassa velocità di IIoT e IoT. Inoltre, attualmente è in fase di sviluppo SPE multi-gig (2,5, 5 e 10 Gbps) da parte della task force Ieee 802.3ch, di cui si prevede la disponibilità nei prossimi anni. Allo stato attuale, quindi, ci si riferisce generalmente con Industrial SPE alla tecnologia basata sullo standard 10Base-T1L, concepita in generale per l’automazione di fabbrica e applicazioni industriali generiche. Il suo vantaggio fondamentale è di offrire una trasmissione dati ad alta velocità (paragonabile a quella dei più diffusi fieldbus) ma estendendo in modo significativo il raggio di copertura (fino a 1.000 metri) e, soprattutto, su un singolo doppino. Industrial SPE si allinea bene con i concetti di IIoT e Industria 4.0, funzionando perfettamente con vari protocolli Ethernet industriali già esistenti. Soprattutto, è il potenziale di miniaturizzazione a rendere SPE una tecnologia interessante, perché consente di ridurre notevolmente i costi sia dei dispositivi, sia delle installazioni sul campo, perché si possono utilizzare cavi più sottili di quelli utilizzati nei fieldbus. Inoltre, SPE industriale sfrutta i connettori M8, più piccoli delle loro controparti M12, che si rivelano ideali soprattutto con sensori compatti. I connettori M8 mantengono le strutture di cablaggio esistenti e offrono piena compatibilità con i modelli di connettori IP20, facilitando la manutenzione e l’integrazione rapida nell’infrastruttura dei sensori. Inoltre, Industrial SPE supporta un’ampia gamma di protocolli di automazione basati su Ethernet, il che consente una perfetta integrazione verticale ‘dal sensore al cloud’, facilitando una comunicazione Ethernet coerente a tutti i livelli dell’automazione. Gli sforzi di standardizzazione, guidati da gruppi come la Single Pair Ethernet System Alliance, stanno lavorando per creare uno standard unificato per le applicazioni industriali SPE, migliorando ulteriormente il suo potenziale di integrazione. Ethernet-APL è un livello fisico che ‘estende’ le potenzialità di SPE; è pensato per l’automazione di processo, per questo offre potenzialità molto interessanti. Infatti, pur ereditando le caratteristiche di base di SPE, questa tecnologia è in grado di garantire anche sicurezza intrinseca per le aree pericolose. EthernetAPL è basato sullo stesso standard 10Base-T1L, in aggiunta specifica caratteristiche ulteriori per i segnali trasmessi e i particolari cavi da utilizzare, in grado di fornire potenza e allo stesso tempo misure di protezione. Lo sviluppo di Ethernet-APL è stato collaborativo: iniziato nel 2018, ha riunito le principali organizzazioni industriali e i principali fornitori per migliorare gli standard esistenti, creare nuove specifiche e sviluppare linee guida complete per l’adozione e la compatibilità. Offre numerosi vantaggi per l’automazione di processo, in quanto estende la comunicazione Ethernet dai sistemi di livello superiore fino ai dispositivi di campo, semplificando l’installazione, consentendo il riutilizzo dei cavi esistenti e permettendo un accesso ai dati più completo e una migliore scalabilità. Inoltre, questa tecnologia migliora le capacità diagnostiche e fornisce una piattaforma stabile per le future evoluzioni dei protocolli e dei servizi. Chiaramente, la transizione dei sistemi esistenti a questa recente tecnologia rappresenta una sfida per l’implementazione di Ethernet-APL, così come lo sono la garanzia di un’adeguata protezione dalle esplosioni e la gestione dell’alimentazione in vari scenari. Queste sfide richiedono lo sviluppo, attualmente in corso, di specifiche di test complete, certificazioni e linee guida sulle migliori pratiche per la pianificazione e l’installazione. Tuttavia, sebbene la miniaturizzazione sia una forte tendenza del cablaggio industriale, l’implementazione di Ethernet-APL richiede un attento equilibrio. L’automazione di fabbrica utilizza in genere cavi da 22 a 26 AWG, ma l’automazione di processo richiede spesso cavi più spessi (da 16 a 18 AWG) a causa delle distanze più lunghe. Ciò può rappresentare una sfida per la miniaturizzazione, in quanto i cavi più spessi possono corrispondere o superare i diametri dei connettori, rendendone difficile la miniaturizzazione, pur mantenendo la robustezza nelle applicazioni di processo. Infatti, le specifiche di EthernetAPL consentono di erogare fino a 60 W sul segmento APL, ben superiori alle capacità di potenza di Industrial SPE.

L’impatto delle tecnologie SPE nell’automazione industriale

Le tecnologie SPE hanno il potenziale di trasformare il panorama delle comunicazioni nell’automazione industriale, consentendo una comunicazione senza soluzione di continuità dal sensore al cloud. Questa innovazione elimina le barriere protocollari, riducendo la necessità di gateway e migliorando significativamente il flusso dei dati, lo scambio dati realtime da/per sensori e attuatori, quindi la visibilità delle operazioni a tutti i livelli, in linea con i paradigmi IIoT e Industria 4.0. Le tecnologie SPE hanno un impatto estremamente positivo nell’integrazione verticale delle tecnologie di rete industriale, consentendo un accesso pressoché completo ai dati dal campo fino al cloud senza soluzione di continuità, garantendo informazioni più dettagliate sui processi e sulla diagnostica dai dispositivi in campo. Questi dati granulari supportano il monitoraggio, la manutenzione predittiva e l’ottimizzazione dei processi. La comunicazione deterministica ad alta velocità consente un controllo più preciso dei processi, con conseguenti miglioramenti della qualità e tracciabilità della produzione. Inoltre, un migliore monitoraggio del consumo energetico a livello di dispositivo apre opportunità per l’ottimizzazione del consumo energetico in campo industriale. È sicuramente la riduzione delle complessità di cablaggio e manutenzione a caratterizzare SPE; inoltre, l’utilizzo di un unico doppino, sia per i dati che per l’alimentazione, porta risparmi sostanziali. SPE permette l’utilizzo di cavi con un peso e un ingombro inferiori del 50% rispetto a quelli dei fieldbus tradizionali, facilitando il cablaggio all’interno dei robot e nei macchinari; l’utilizzo di connettori standardizzati, poi, facilita la sostituzione e l’aggiornamento dei dispositivi, mentre le funzionalità diagnostiche Ethernet integrate consentono una più rapida risoluzione dei problemi e il monitoraggio remoto. La tecnologia supporta anche topologie di rete flessibili, facilitando l’adattamento al layout dell’impianto, a pareti e pavimenti, e rendendo possibile, al contempo, la realizzazione di un’infrastruttura più ordinata e definita, riducendo i requisiti di controllo dell’alimentazione e della temperatura. Chiaramente, l’adozione di SPE può richiedere investimenti iniziale; allo stesso tempo, però, si aumenta la convergenza IT-OT nelle reti industriali, migliorando potenzialmente l’efficienza operativa attraverso operazioni e monitoraggio a distanza, che inducono risparmi a lungo termine grazie alla riduzione delle spese di manutenzione. Tuttavia, la connettività Ethernet diretta ai dispositivi di campo introduce anche nuove sfide in ambito cybersecurity, rendendo necessaria una strategia di sicurezza completa dal sensore al cloud.

Prospettive future: pro e contro

L’adozione delle tecnologie Industrial SPE nei settori industriali è destinata a crescere in modo significativo, con proiezioni di mercato ottimistiche da parte degli analisti. Settori come l’automotive e il farmaceutico saranno probabilmente pionieri nell’implementazione di SPE, grazie alla spinta in atto per le iniziative di Industrial Internet of Things (IIoT) e Industria 4.0. Gli sforzi di standardizzazione per SPE continuano, includendo la creazione di varianti a velocità più elevata e il perfezionamento degli standard esistenti sulla base dell’esperienza reale. Le alleanze industriali stanno lavorando per armonizzare i diversi approcci SPE e garantire l’interoperabilità tra EthernetAPL e Industrial SPE, concentrandosi anche sul supporto e l’integrazione di SPE con standard determinanti come TSN. In prospettiva, sono attesi miglioramenti nei componenti, come chip fisici più robusti ed energeticamente efficienti, e ulteriori sviluppi per connettori e cavi. Si prevede una maggiore capacità di erogazione di energia tramite SPE per i dispositivi di campo, potenzialmente integrabile con le tecnologie di energy harvesting per i dispositivi a basso consumo. Esiste anche un potenziale di convergenza con i dispositivi di edge computing e la possibilità che SPE supporti applicazioni di realtà aumentata e virtuale in ambito industriale. L’adozione delle tecnologie SPE presenta sia sfide che opportunità. Le sfide includono il superamento di una certa inerzia al cambiamento in taluni settori industriali, la garanzia di cybersicurezza in sistemi sempre più connessi e la gestione della transizione dai sistemi legacy. Le opportunità includono lo sviluppo di nuovi servizi e modelli di business, basati su una maggiore accessibilità dei dati, il potenziale di sistemi di produzione più flessibili e adattabili e una maggiore sostenibilità grazie a un utilizzo più efficiente delle risorse. A lungo termine, SPE potrebbe diventare una tecnologia fondamentale per la comunicazione industriale senza soluzione di continuità, colmando potenzialmente le lacune della convergenza IT-OT. Potrebbe svolgere un ruolo cruciale nell’abilitare sistemi autonomi e auto-ottimizzanti, supportando l’implementazione a tutti i livelli di algoritmi di controllo e ottimizzazione avanzati. L’adozione diffusa di SPE potrebbe avere un impatto globale significativo sulla produttività industriale e sull’innovazione, contribuendo potenzialmente ad affrontare sfide globali, come l’efficienza delle risorse e la sostenibilità.

In conclusione

Le tecnologie SPE sono emerse come risposta fondamentale alle esigenze in evoluzione della comunicazione industriale, e hanno un impatto molto profondo, in quanto consentono una comunicazione continua dai sensori al cloud, migliorano l’accesso ai dati e le capacità di analisi e semplificano i processi di installazione e manutenzione. Questo potenziale di trasformazione si estende fino a facilitare l’implementazione dei concetti di IIoT e Industria 4.0, colmando efficacemente alcune lacune nella convergenza IT-OT. Pur non essendo una transizione priva di sfide, si prevede una crescita dell’adozione di SPE in vari settori industriali. Gli sforzi di standardizzazione e i progressi tecnologici in corso probabilmente ne miglioreranno ulteriormente le capacità, facendo sì che SPE diventi la base delle reti industriali di prossima generazione. In conclusione, le tecnologie SPE rappresentano un significativo balzo in avanti nella comunicazione industriale, offrendo un equilibrio convincente di prestazioni, semplicità e, soprattutto, compatibilità con i sistemi esistenti.

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