Cosa rende gli ambienti industriali così diversi?
I maggiori problemi delle reti Ethernet industriali derivano dai rischi a cui sono esposte le reti stesse. Due fattori aggravano questi rischi: la mancanza di controllo climatico e la presenza di altre apparecchiature elettriche. Mentre la rete in un ufficio o in un data center è protetta dagli agenti atmosferici grazie a sistemi di condizionamento e schermatura solare, la maggior parte degli ambienti industriali non dispone di questo controllo. Calore o umidità eccessivi, ad esempio, possono influire sui supporti di trasmissione. I cavi a doppino intrecciato, comunemente utilizzati nelle reti per ufficio, possono deteriorarsi dopo una prolungata esposizione alla luce solare. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) generate dalle apparecchiature elettriche causano rumore che disturba il traffico di rete. I connettori RJ-45, la spina dorsale delle reti aziendali, non sono progettati per funzionare per periodi prolungati in condizioni di calore o stress eccessivi e i loro contatti possono corrodersi e causare la rottura delle etichette.

Un'altra differenza significativa riguarda le distanze su cui il segnale deve essere trasmesso. Il cavo Ethernet industriale può richiedere circa 400 metri in grandi impianti ed è installato in aree a rischio di esplosione (tra macchine e tra switch). Il cavo a doppino intrecciato, utilizzato negli uffici, ha una distanza massima di 100 metri. Sebbene questa specifica sia nata per separare le trasmissioni degli utenti e prevenire le collisioni, le attuali limitazioni di distanza sono una conseguenza della trasmissione elettrica.
Sono state sviluppate anche schede di interfaccia di rete (NIC) per distanze fino a 100 metri. Oltre questa distanza, è necessaria una maggiore potenza e si può generare rumore che interferisce con la trasmissione dei dati. La fibra multimodale è sufficiente per distanze fino a 2 chilometri. Per distanze comprese tra 2 e 3 chilometri, è necessario un cavo in fibra ottica monomodale. Inoltre, il cavo in fibra ottica ha requisiti specifici. Il diametro di una fibra monomodale è inferiore a quello di un globulo rosso. Impronte digitali o persino particelle di polvere sospese nell'aria possono depositarsi sulla terminazione della fibra ottica, causando riflessioni e inibendo la trasmissione del segnale.
Infine, anche un elemento basilare come l'elettricità può influire su un'installazione Ethernet. I componenti Ethernet per ufficio non possono funzionare in un ambiente industriale alimentato a 24 o 48 V. Probabilmente saranno necessari componenti di livello industriale.

Una differenza nella natura del lavoro: la necessità di determinismo.
In un contesto industriale, la natura del lavoro svolto e le funzioni dei dispositivi sono molto diverse da quelle di una rete d'ufficio. La perdita di traffico assume un'importanza molto maggiore negli ambienti industriali. In molte reti d'ufficio, la perdita di dati non è così problematica, poiché esistono diversi modi per compensare i pacchetti persi. Come minimo, un utente può reinviare un file di dati che è stato danneggiato durante la trasmissione. Se la rete d'ufficio è un po' lenta, è fastidioso e influisce sulla produttività del personale, ma il lavoro può comunque essere svolto.
Nel mondo industriale, caratterizzato da produzione ad alta velocità e processi precisi, la consegna corretta e tempestiva delle comunicazioni è di fondamentale importanza. Un pacchetto di dati potrebbe contenere un avviso di surriscaldamento o addirittura di incendio, oppure un comando per attivare il sistema di raffreddamento. Pacchetti danneggiati, persi o non tempestivi, a causa della velocità o della lentezza, causano gravi conseguenze: errori di produzione, riduzione della produzione, aumento degli sprechi e tempi di inattività più lunghi. Tutto ciò si traduce in costi più elevati.
Per questi motivi, l'Ethernet industriale deve essere "deterministica", ovvero la rete deve garantire che un evento si verifichi entro un intervallo di tempo specificato. Questa non è la norma negli ambienti aziendali, e c'è stato un tempo in cui non lo era nemmeno nel mondo industriale. Ora è diventato un requisito.

Comprensione degli standard e dei rapporti Ethernet:
la conoscenza di alcuni degli standard e dei rapporti Ethernet che si sono evoluti nel corso degli anni può aiutare a progettare reti più robuste e resilienti.

Classificazione delle condizioni ambientali con le tabelle MICE
: per descrivere le potenziali condizioni ambientali nelle aree industriali, la Telecommunications Infrastructure Association (TIA) ha creato le tabelle "Meccaniche, di ingresso, climatiche/chimiche ed elettromagnetiche" (MICE). Il livello 1 descrive un tipico ambiente d'ufficio; il livello 2 mostra condizioni leggermente più avverse; e il livello 3 rappresenta un ambiente industriale pesante.

Circa l'80% degli ambienti corrisponde alle tabelle MICE, con l'eccezione solo di quelli più estremi o specializzati. La sezione Meccanica di ciascuna tabella fornisce valori per urti/impatti, vibrazioni, tensione, schiacciamento, impatto e flessione. La sezione Ingresso specifica la granulometria delle particelle (polveri). La sezione Clima/Chimica mostra i valori per temperatura, umidità, radiazioni e inquinamento liquido e gassoso derivante dai contaminanti industriali più comuni. Infine, la sezione Elettromagnetica fornisce valori specifici per scariche elettrostatiche, radiofrequenze (RF) irradiate e condotte, tensione di cortocircuito e campo magnetico.
Le tabelle MICE non costituiscono un insieme di requisiti di cablaggio, ma offrono un utile contesto per valutare ambienti specifici e selezionare sistemi compatibili. Va inoltre notato che lo stesso cablaggio può essere adatto a diversi ambienti MICE. Stabilendo dei limiti, è possibile ridurre al minimo la necessità di cablaggi con rapporti molto elevati nell'intera installazione.
Determinazione del livello di protezione offerto da connettori, dispositivi e altre apparecchiature:
il grado di protezione IP (Ingress Protection) indica il livello di protezione offerto dall'apparecchiatura ed è sempre specificato con la sigla IP seguita da due numeri. Il primo numero indica il livello di protezione contro gli oggetti solidi, mentre il secondo rappresenta il livello di resistenza all'acqua. Un grado IP55, ad esempio, dimostra che il dispositivo offre una protezione sufficiente contro polvere e particelle d'acqua senza comprometterne il funzionamento. Un numero più alto, come IP68, indica che il dispositivo è a prova di polvere e può essere immerso in acqua senza effetti negativi.
Il connettore RJ-45, tipicamente utilizzato nei cavi patch, non ha un grado di protezione IP, poiché non è stato progettato per offrire protezione contro la polvere o per essere completamente impermeabile. I cavi Ethernet per ambienti difficili richiederanno connettori RJ-45 appositamente sviluppati con guarnizioni protettive oppure dovranno utilizzare altri tipi di connettori, come l'M-12. Con un grado di protezione IP68, i connettori M-12 offrono gli stessi livelli di protezione fisica contro solidi e liquidi. Le applicazioni nell'industria farmaceutica sono un buon esempio della necessità non solo di connettori con un elevato grado di protezione IP, ma anche di involucri per apparecchiature con lo stesso grado di protezione.

Imparando dagli esempi altrui:
la rete.
L'errore più grande che si commette quando si installano reti industriali è pensare che una rete per ufficio possa essere utilizzata in un impianto di produzione. Il traffico variabile e gli schemi di indirizzamento della rete aziendale non devono interferire con la natura coerente, strutturata e meno variabile di una rete di produzione. Il traffico aziendale può rallentare il traffico di produzione e compromettere la natura deterministica della rete industriale.
Una VLAN (Virtual Local Area Network) è un modo per segmentare il traffico di rete. Le reti aziendali e di produzione possono comunicare tra loro, ma non possono condividere i rispettivi "percorsi". È come pensare a due autostrade collegate da un tunnel.
Il secondo errore è cercare di risparmiare acquistando switch Ethernet "da ufficio". Gli ambienti industriali richiedono switch con classificazione industriale, poiché sono progettati per resistere ai rigori del mondo industriale e contribuire a una rete più efficiente. In ambito produttivo, è fondamentale trasferire le informazioni in modo affidabile dal punto A al punto B. Il risultato finale di scarse prestazioni di rete in un ufficio è spesso una riduzione delle prestazioni sui PC degli utenti. In un reparto di produzione, la differenza tra una comunicazione che richiede quattro o sei secondi potrebbe significare la differenza tra un lavoro online ad alta velocità e un lavoro che non lo richiede. Oppure, in un impianto di lavorazione della lamiera, può determinare se il materiale viene tagliato alla lunghezza corretta.
Il corretto flusso di informazioni mantiene una velocità adeguata e una temperatura costante su una distanza di circa 43 metri.

Segnali elettrici:
i dispositivi di rete, come gli switch, possono essere soggetti agli stessi problemi che interessano il cablaggio. Ambienti elettrici difficili possono causare transitori, interruzioni e scariche elettrostatiche. Umidità e variazioni di temperatura estreme, vibrazioni e un'erogazione di energia elettrica incoerente o inefficiente possono tutti interrompere la segnalazione. I dispositivi con un grado di protezione IP appropriato possono mitigare molti di questi problemi.

Cablaggio dell'infrastruttura: protezione dei cavi dall'esposizione a rischi e pericoli.
In un tipico data center, è probabile trovare un server con cavi a doppino intrecciato non schermati che sporgono dal retro e si estendono fino al soffitto; Questo è perfettamente accettabile. In un ambiente industriale, tuttavia, i cavi devono essere protetti con guaine di plastica o metallo. È anche accettabile che i cavi Ethernet passino lungo il soffitto in canaline a vista. Ma quando questi cavi raggiungono la parete o qualsiasi altro punto in cui potrebbero entrare in contatto con acqua, surriscaldarsi o subire urti, necessitano di una guaina.
Occorre inoltre considerare la protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Ad esempio, una macchina potrebbe riempire bottiglie mentre un'altra le imballa in scatole. La linea Ethernet deve essere separata e schermata dal campo EMI generato da macchinari, cavi, motori e trasformatori. Anche un eccessivo rumore elettronico interferirà con i segnali. Ciò si manifesta spesso con alcuni errori di rete facilmente riconoscibili e indica che il frame trasmesso è stato corrotto da qualche parte lungo il percorso.
Cosa si può fare? Il cablaggio a doppino intrecciato non schermato (UTP) è intrinsecamente immune a bassi livelli di EMI. Per livelli più elevati, sono preferibili i cavi a doppino intrecciato schermato (STP, noti anche come CAT 5). E per la massima protezione,
il cavo in fibra ottica, che è immune alle EMI, è la scelta migliore.
L'utilizzo di cavi ad alta capacità non è l'unica soluzione per ambienti difficili. Deve essere integrato da una combinazione di separazione, isolamento e pianificazione strategica. Ad esempio, in presenza di rischio di fuoriuscite di liquidi, la separazione si ottiene utilizzando canaline portacavi, mentre l'isolamento è garantito da guaine metalliche che attenuano le interferenze elettromagnetiche (EMI).
Quando si opera in ambienti difficili, è necessario adottare misure preventive come la sostituzione regolare di cavi patch e connettori per evitare tempi di inattività. Tuttavia, la creazione e la documentazione dell'infrastruttura di rete e l'esecuzione della manutenzione preventiva non garantiscono un funzionamento affidabile della rete. Anche la risoluzione rapida dei problemi con gli strumenti appropriati è essenziale.

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Autore:
Dipartimento Tecnico di Fluke Networks