Protocolli Industrial Ethernet

Ethernet è uno standard di comunicazione ampiamente utilizzato che consente di trasferire rapidamente grandi quantità di dati tra dispositivi. Senza Ethernet, nel mondo di oggi la comunicazione non sarebbe possibile, poiché la maggior parte dei dispositivi collegati in rete utilizza lo standard Ethernet.

Con Ethernet, come con altre tecnologie di interfaccia, i dati vengono trasmessi sotto forma di variazioni di tensione elettrica o di segnali luminosi nel caso della fibra ottica o di onde radio nel caso del Wi-Fi.

Ethernet è estremamente flessibile e può essere utilizzata in diversi ambienti, dalle reti domestiche alle grandi reti aziendali. Ma anche nell'automazione di fabbrica, il precedente dominio dei bus di campo è stato ora sostituito da Ethernet.

Ethernet è stata standardizzata già nel 1983 con IEEE 802.3 e definisce i layer uno e due dei sette layer del modello OSI. In parole semplici: Il primo layer (physical layer) garantisce che i bit e i byte vadano dal punto A al punto B. Questo layer comprende, ad esempio, i cavi di rete e in fibra ottica e le schede di rete. Il secondo layer (data link) garantisce la trasmissione affidabile e priva di errori dei blocchi di dati tra due dispositivi collegati tramite il primo livello. Questo layer comprende, ad esempio, gli switch e l'indirizzo MAC. Tutto il resto, come i protocolli utilizzati, si trova nei layer da tre a sette del modello OSI e non è specificato in IEEE 802.3 per Ethernet.

Ethernet e Industrial Ethernet in linea di principio sono la stessa cosa. La differenza sta nel fatto che per l'Industrial Ethernet vengono utilizzati componenti più robusti, che soddisfano le esigenze dell'industria. Ad esempio, questi componenti devono resistere a temperature estreme, umidità, vibrazioni e interferenze elettromagnetiche. Il funzionamento fisico di base rimane identico. I componenti Industrial Ethernet possono quindi essere utilizzati anche nelle "normali" reti Ethernet.

Un semplice esempio della differenza tra i componenti Ethernet e Industrial Ethernet è il connettore. Per l'Ethernet si utilizza solitamente un connettore RJ45. È ideale per le applicazioni domestiche e d'ufficio, ma non è adatto agli ambienti industriali critici. Per questo, per l'Industrial Ethernet viene utilizzato un connettore M12 con codice D, che può avere un grado di protezione fino a IP69K oltre a una capacità di carico meccanico notevolmente superiore.

Quando i dati devono essere forniti e inoltrati da un dispositivo, è necessaria un'interfaccia per la trasmissione dei dati. I dispositivi che generano grandi quantità di dati o che richiedono elevate velocità di trasmissione dei dati si affidano oggi all'interfaccia Ethernet.
IO-Link si è affermato sul mercato come ulteriore interfaccia per la trasmissione dei dati per i dispositivi più piccoli o più sensibili ai costi. Se è necessario scambiare solo informazioni semplici, è possibile utilizzare anche un'interfaccia digitale I/O o analogica.

Quali sono le sfide particolari che il settore pone alla comunicazione Ethernet?

A differenza dello scambio di dati nella vita quotidiana d'ufficio, dove a volte vengono inviate e ricevute grandi quantità di dati, ma una perdita di pacchetti o un ritardo nell'invio/ricezione di questi dati sono accettati (ad esempio, se un'e-mail viene consegnata con un breve ritardo o un sito web deve essere ricaricato), questo non è sufficiente nell'ambiente di produzione industriale. Se gli stati registrati o i dati di misura vengono trasmessi al sistema di controllo troppo tardi o in modo inaffidabile, lo stato attuale/il valore misurato nella macchina non corrisponde più allo stato/al valore misurato rilevato e il controllo viene eseguito con dati non aggiornati.

Quale soluzione esiste per gli ambienti di produzione industriale?

Per poter utilizzare l'Ethernet in un ambiente industriale è necessaria una comunicazione deterministica. Ciò non è possibile con il protocollo TCP/IP tipicamente utilizzato, perché nelle reti possono verificarsi variazioni temporali imprevedibili nella trasmissione dei dati a causa di ritardi, jitter, concorrenza sulla larghezza di banda e perdite di pacchetti. Per risolvere questo problema sono stati sviluppati speciali protocolli Industrial Ethernet. Essi sono caratterizzati da tempi di latenza brevi, comunicazione ciclica e reazioni deterministiche.

Cos’è il determinismo?

Nella rete Ethernet, il determinismo è la prevedibilità e la coerenza dei tempi e delle condizioni di trasmissione dei dati, il che significa che i pacchetti di dati vengono ricevuti o inviati a intervalli prevedibili e la loro consegna è sempre garantita.

A cosa servono i protocolli Industrial Ethernet?

Offrono comunicazione ciclica e aciclica, funzionalità in tempo reale, prioritizzazione del traffico dati e robustezza per soddisfare le esigenze di fabbriche e sistemi di automazione. Anche la struttura di un frame di dati e il suo significato sono definiti con precisione nel protocollo e, mentre le connessioni TCP/IP convenzionali sono orientate a requisiti di rete generali e utilizzano trasmissioni di dati asincrone e irregolari, i protocolli Industrial Ethernet offrono una struttura standardizzata per la trasmissione dei dati in cui la struttura dei dati in un pacchetto di dati è definita con precisione. Ciò consente agli utenti di accedere facilmente a diversi tipi di dati, come i dati di parametrizzazione, i dati diagnostici e i dati di ingresso/uscita, senza doversi preoccupare della complicata compilazione di pacchetti di dati o di complessi meccanismi di monitoraggio. Senza questa specifica, gli utenti dei sistemi automatizzati dovrebbero eseguire manualmente questi processi individualmente per ogni dispositivo a livello di bit e byte, con conseguente dispendio di tempo e rischio di errori.

Sebbene tutti i protocolli Industrial Ethernet siano basati su Ethernet, non sono compatibili tra loro. Un dispositivo PROFINET non può quindi essere utilizzato in una rete EtherCAT, ad esempio

Cos’è un Gateway?

Un gateway viene utilizzato come "traduttore" esterno per consentire la comunicazione tra dispositivi che utilizzano protocolli o standard di comunicazione diversi.

Con la serie di prodotti MA 200 Leuze offre un gateway da RS 232 a tutti i comuni protocolli Industrial Ethernet (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT), Ethernet TCP/IP, nonché ai bus di campo (PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen).

"PROFINET" è uno dei protocolli Industrial Ethernet più diffusi al mondo. I controllori Siemens utilizzano il protocollo Industrial Ethernet "PROFINET". Tutti i sensori con protocollo Industrial Ethernet di Leuze dispongono già di questa interfaccia integrata nel dispositivo tramite la cosiddetta "integrated connectivity" e sono riconoscibili dalla designazione del prodotto x48i. In questo caso non è necessario un gateway supplementare.

I sistemi di controllo di produttori come Allen Bradley / Rockwell e Schneider Electric utilizzano il protocollo Industrial Ethernet "EtherNet/IP". Molti sensori di Leuze dispongono già di questa interfaccia integrata nel dispositivo tramite la cosiddetta "integrated connectivity" e sono riconoscibili dalla designazione del prodotto x58i. In questo caso non è necessario un gateway supplementare.

"EtherCAT" è attualmente il protocollo Industrial Ethernet in più rapida crescita. EtherCAT è utilizzato principalmente da Beckhoff, ma anche da numerosi altri produttori di sistemi di controllo. Molti sensori di Leuze dispongono già di questa interfaccia integrata nel dispositivo tramite la cosiddetta "integrated connectivity" e sono riconoscibili dalla designazione del prodotto x38i. In questo caso non è necessario un gateway supplementare