Panoramica su Ethernet/IP

Ethernet sta rapidamente conquistando terreno nel settore industriale. PC, stampanti ed altri apparati con schede di rete (NIC) Ethernet, utilizzati con switch e router intelligenti, trovano spazi sempre maggiori anche in questo settore. La sola barriera finora incontrata ad una diffusione ancora più ampia e' costituita dall'assenza di un livello applicativo condiviso e di soluzioni di connettività Ethernet industriale.

Ethernet/IP e' un protocollo industriale a livello applicativo per l'automazione industriale. Costruito sui protocolli standard TCP/IP, utilizza hardware e software consolidato per Ethernet per definire un protocollo di livello applicativo per la configurazione, l'accesso ed il controllo di apparati per automazione industriale. Ethernet/IP classifica i nodi Ethernet quali elementi predefiniti con comportamenti specifici. Tale protocollo si basa sul livello Control and Information Protocol (CIP) utilizzato sia in DeviceNet che in ControlNet . In tal modo Ethernet/IP fornisce un sistema integrato trasparente per la rete di ufficio e per quella industriale.

La storia

Il mezzo fisico su cui si basa Ethernet, cioè cavi e connettori di connessione tra PC, stampanti e altre periferiche, gestisce una serie di protocolli di comunicazione, quali IP (Internet Protocol), TCP (Transport Control Protocol) e numerosi altri protocolli di comunicazione di rete. Questo insieme si rivela adatto per l'ambiente di ufficio, consentendo la condivisione di file, di stampanti, l'invio di e-mail, la navigazione su Internet eccetera. I requisiti del settore industriale sono molto più stringenti: i vari controller devono accedere ai dati da vari driver, da workstation da sistemi I/O. Nelle operazioni tipiche d'ufficio e' previsto per l'utente un tempo d'attesa prima dell'esecuzione di un certo task. La linea di produzione richiede invece comunicazioni in tempo reale. L'esatta esecuzione di un'operazione e' un fattore estremamente più critico di quanto possa essere l'accesso a file su server o ad un sito web.

Ethernet/IP e' stato sviluppato per andare incontro a queste necessità. Quattro gruppi diversi hanno riunito gli sforzi per lo sviluppo e la promozione di Ethernet/IP verso un livello applicativo standard per l'automazione industriale: ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), IOANA (The Industrial Open Ethernet Association), CI (Control Net International) e IEA (Industrial Ethernet Association) sono al lavoro per definire anche i requisiti di connettività per il livello fisico di rete in un ambiente ad elevato impatto quale e' la fabbrica

La tecnologia Ethernet/IP

Ethernet/IP utilizza tutti i protocolli dell'Ethernet tradizionale, incluso TCP, IP e le tecnologie di segnalazione e di accesso ai media che si trovano in tutte le schede d'interfaccia di rete (NIC) Ethernet. Costruire su tecnologie a standard Ethernet significa lavorare in maniera trasparente con tutti i componenti attualmente disponibili sul mercato. Ancora più importante, Ethernet/IP su una piattaforma tecnologica Ethernet standard garantisce un'evoluzione parallela delle due tecnologie.

I gruppi che supportano Ethernet/IP stanno collaborando per la stesura di uno standard completo e coerente, con la partecipazione di numerosi produttori per la definizione delle specifiche e l'esecuzione di test completi presso laboratori certificati.

Un protocollo ampiamente consolidato

Ethernet/IP si sviluppa da uno standard ampiamente diffuso in DeviceNet e ControlNet, detto CIP (Control and Information Protocol). Tale standard organizza gli elementi di rete come una raccolta di oggetti, definisce gli accessi, i comportamenti e le estensioni, permettendo l'accesso a elementi eterogenei mediante un protocollo comune. Ethernet/IP si basa su uno standard ampiamente assimilato ed implementato.

CIP - Ethernet/IP

I vantaggi di uno strato CIP su Ethernet/IP sono numerosi. Un accesso coerente implica l'uso di un unico tool di configurazione per gli elementi su reti diverse da un unico punto di accesso senza alcun software di tipo proprietario. La classificazione a oggetti diminuisce i costi di training e di start-up altrimenti necessari all'inserimento di nuovi elementi di rete.

Ethernet/IP abbassa i tempi di risposta e permette un throughput più elevato rispetto a DeviceNet o ControlNet. Ehternet/IP collega elementi dal livello bus al livello di controllo al livello enterprise con un'interfaccia applicazione coerente.

La connettività industriale in fabbrica

I prodotti di connettività tradizionale forniscono ai tipici clienti d'ufficio un servizio affidabile negli anni. Tuttavia, l'esposizione degli stessi connettori in rame o in fibra a condizioni estreme quali polveri, sbalzi termici, umidità, interferenze elettromagnetiche o vibrazioni porta spesso a problemi di prestazioni e di affidabilità. Negli ambienti ostili l'esposizione a tali elementi e' una costante e la tipica connessione Ethernet (cioè la presa e la spina RJ45) e' soggetta a corrosione, interferenze meccaniche e elettromagnetiche e quindi a possibili guasti. I clienti si ritrovano quindi elevati costi di manutenzione a causa dei tempi e della manodopera necessari all'individuazione e alla rimozione del componente.

Diventa quindi necessario ricorrere a una nuova gamma di connettori che permettano una connessione più robusta e affidabile anche negli ambienti più ostili: il connettore industriale. Questa nuova interfaccia trova comunque applicazione non solo nella linea di produzione. Dato che il connettore e' stato sviluppato per resistere alle più avverse condizioni, risulterà essere una soluzione ottimale anche in ambienti estremi con presenza di liquidi, contaminanti, vibrazioni e/o escursioni termiche.

Soluzioni di connessione industriale disponibili oggi

Siemon ha sviluppato un connettore industriale RJ-45 che risponde a tutte le specifiche proposte da TIA e IEC e che e' stato riconosciuto da ODVA.

Il connettore industriale MAX Siemon presenta una resistenza più elevata a tutte le condizioni ambientali critiche, raggiungendo un livello di protezione IP67 tramite un particolare raccordo presa/spina a baionetta. L'accoppiamento avviene tramite una semplice rotazione di un quarto di giro. La soluzione e' conforme alle specifiche di Categoria 5e e può essere terminata in campo per realizzare cordoni di collegamento di lunghezze specifiche.

Questa connessione impedisce l'ingresso di umidità, sia di tipo atmosferico, sia dovuto a diretto contatto con liquidi. Inoltre, l'elevata resistenza alle vibrazioni mantiene costante la posizione della spina rispetto alla presa, evitando quindi danneggiamenti ai contatti elettrici.

I materiali adottati nella realizzazione del connettore industriale MAX Siemon risultano essere particolarmente resistenti agli agenti chimici e sono caratterizzati da un comportamento di livello superiore relativamente agli sbalzi termici. La fascia di operatività varia da -25°C a 85°C, ampliando di oltre il 50% l'intervallo tipico della connettività tradizionale.

Infine, negli ambienti ad elevata interferenza, Siemon presenta una versione schermata di tale connettore, con un elevato grado di schermatura ed una bassa impedenza di trasferimento nei punti di transizione del segnale tra cavo orizzontale ed i cordoni di apparato.

I problemi di installazione

L'implementazione di Ethernet/IP non e' priva di problematiche. Un ostacolo tipico e' rappresentato dalla carenza di personale competente che comprenda i fondamenti di IT e della rete d'automazione. Le squadre che gestiscono la parte automazione e il dipartimento IT dovranno collaborare per l'installazione e la gestione di un sistema Ethernet/IP. Un secondo ostacolo e' rappresentato da un'adeguata configurazione di rete: una pianificazione corretta dell'infrastruttura d'automazione di fabbrica Ethernet e' un fattore cruciale. Un'attenta raccolta di documentazione dei percorsi, degli elementi, del cablaggio, delle connessioni permetterà una precisa configurazione di rete ed una scelta ottimale di router e switch. Una volta installata, Ethernet/IP richiede una manutenzione minima.

Sul mercato sono presenti numerosi concorrenti, da Modbus/TCP a ProfiNet a HSE Fieldbus, fino ad altri protocolli proprietari. Gli argomenti contrari a Ethernet in ambiente di fabbrica si basano su una cosiddetta "fragilità" di Ethernet nelle applicazioni di automazione. Se ciò poteva essere vero in passato, gli switch intelligenti hanno ampiamente eliminato tale problema, creando domini di collisione separati che offrono l'affidabilità' necessaria per tutte le applicazioni d'automazione.

Il movimento verso la standardizzazione di Ethernet Industriale e la conseguente implementazione in ambito di fabbrica possono quindi essere considerati una realtà di fatto.