Fino alla metà degli anni '80, molti dei sensori e degli attuatori utilizzati erano analogici. Sistemi come il circuito di corrente 4-20 mA non solo fornivano misurazioni accurate lungo lunghi tratti di cavo, ma alimentavano anche il dispositivo. Grazie alla loro elevata immunità ai disturbi, offrivano anche sicurezza, poiché le rotture dei cavi potevano essere facilmente rilevate, un aspetto fondamentale per l'installazione sicura di processi pericolosi.

Uno degli svantaggi di questa tecnologia era la necessità di un cavo per ogni sensore e attuatore, con conseguente installazione di numerosi cavi in ​​parallelo in fabbriche e impianti. La riduzione della complessità e del costo del cablaggio ha guidato l'evoluzione delle tecnologie di rete. Queste tecnologie si sono consolidate attorno all'interfaccia seriale (UART) integrata in microcontrollori a basso costo insieme a un transceiver adatto (ad esempio, RS-485) o alla tecnologia CAN (Controller Area Networking), ampiamente utilizzata nel settore automobilistico (Figura 1).

Queste reti di prima generazione si basavano su tecnologie diverse per il livello fisico (PHY) (livello 1 del modello OSI) e su diversi livelli di collegamento dati (livello 2 del modello OSI), pertanto i sistemi erano raramente compatibili tra loro senza un qualche tipo di gateway. Tuttavia, le loro caratteristiche principali includevano robustezza, anche su distanze di centinaia di metri, tempi di attesa definiti, determinismo e conformità ai requisiti di sicurezza.

Queste tecnologie fieldbus sono installate in milioni di nodi in tutto il mondo, ma gran parte della tecnologia del livello fisico è rimasta stagnante, limitando così la larghezza di banda disponibile. Allo stesso tempo, i sistemi di automazione industriale sono diventati sempre più complessi, incorporando il rilevamento di grandi quantità di dati, come le telecamere, che sono integrate nei cicli di controllo in tempo reale all'interno degli ambienti di elaborazione. La diversità dei livelli fisici installati rende impossibile implementare sistemi diversi sullo stesso cablaggio.

Ethernet, tecnologia consolidata e ampiamente utilizzata in edifici e fabbriche per le installazioni IT, offre un'elevata larghezza di banda e numerosi fornitori di tutto il necessario, dai connettori e cavi ai dispositivi in ​​silicio. Intorno al 2005, iniziarono ad apparire sul mercato soluzioni basate su Ethernet, raggruppate attorno a un singolo livello fisico (PHY). Tuttavia, il resto del modello OSI presentava seri problemi relativi a latenza, prenotazione della larghezza di banda, affidabilità e sicurezza. Di conseguenza, furono sviluppate diverse proposte di livello 2 basate sul livello fisico Ethernet, ma ancora una volta i sistemi di automazione industriale soffrirono di incompatibilità tra soluzioni di diversi fornitori (Figura 2).

Addio alle soluzioni proprietarie:
l'automazione industriale non è l'unico segmento di mercato desideroso di adottare Ethernet, ma permangono dubbi sul rispetto delle sue specifiche tecniche. I settori dell'audio e del video professionali, così come quello automobilistico, sono interessati a sfruttare questi vantaggi, a condizione che vengano risolti problemi come la latenza e il determinismo. Inoltre, i sistemi Ethernet industriali proprietari di seconda generazione sono stati costruiti su livelli fisici a 100 Mbps e sui relativi cavi ingombranti, mentre altri segmenti di mercato hanno già raggiunto velocità gigabit.

I principali problemi che hanno ostacolato l'adozione di Ethernet nell'industria sono stati affrontati in una serie di standard comuni denominati Time Sensitive Networking (TSN). Come standard, consentirà alle soluzioni commerciali, dai dispositivi in ​​silicio ai cavi, di interagire tra loro, spinte dalla domanda di molti settori industriali con esigenze simili. Prevede inoltre l'utilizzo di livelli fisici che consentono velocità di trasmissione dati fino a 1 Gb/s, nonché l'utilizzo di Ethernet a coppia singola (SPE), che ridurrà significativamente lo spazio e i costi di cablaggio.

Questi sono alcuni dei principali standard TSN che forniscono la sincronizzazione e il timeout richiesti dalle reti industriali:
• IEEE 802.1AS – temporizzazione e sincronizzazione per applicazioni sensibili al tempo. Un meccanismo condivide i dati di sincronizzazione tra un nodo di rete master e altri nodi per fornire un orologio di riferimento comune che funge da base sincrona comune. È un profilo IEEE 1588.

• IEEE 802.1Qbv – questo standard fornisce ulteriori miglioramenti per garantire timeout end-to-end nelle applicazioni bloccando il traffico a bassa priorità durante finestre temporali definite. Ciò ne consente l'uso in applicazioni come il controllo Ethernet a circuito chiuso tramite uno scheduler basato sul tempo.

• IEEE 802.1Qbu – questo standard definisce le metodologie di lookahead OSI di livello 2 che abilitano l'Interspersed Express Traffic (IET) secondo IEEE 802.3br. Ciò consente una riduzione del tempo di attesa di determinati tipi di traffico in un ambiente di traffico misto, come l'intercettazione di traffico lungo a bassa priorità.

Questi cambiamenti, unitamente agli sforzi per raggruppare questi standard in base alle applicazioni all'interno del profilo IEC/IEEE 60802 di TSN per l'automazione industriale, dovrebbero contribuire a formare le basi della tecnologia di rete industriale di terza generazione.

Reti industriali con TSN:
le soluzioni system-on-chip (SoC) compatte e altamente integrate sono ideali per modernizzare gli impianti che possono sfruttare la tecnologia TSN. Il TC9562 è un dispositivo di questo tipo, che incorpora un'interfaccia PCIe ed estende le funzionalità dei SoC di grandi dimensioni ai PLC (controllori logici programmabili) o come schede plug-in per PC industriali (Figura 3). Offre tutte le funzioni TSN, dalla sincronizzazione IEEE 802.1AS al time-aware shaper (TAS) IEEE 802.1Qbv con sei code e gestione flessibile del buffer su tutte le code. Il supporto hardware per il controllo di tutti i gate fornisce un'elevata granularità per il controllo degli slot temporali definiti utilizzati dal TAS all'interno di un singolo ciclo macchina. Gli standard IEEE 802.1Qbu e IEEE 802.3br aggiungono funzionalità di anticipazione per garantire la gestione prioritaria dei pacchetti di dati critici in termini di tempo.

Il firmware necessario per il funzionamento viene scaricato tramite PCIe durante l'inizializzazione, il che consente anche futuri aggiornamenti, come modifiche o ratifiche agli standard TSN pertinenti (Figura 4). Sono supportate le interfacce SGMII, RGMII, RMII e MII, che raggiungono velocità rispettivamente di 10 Mb/s, 100 Mb/s e 1000 Mb/s, nonché i livelli fisici SPE T1 per assecondare la tendenza verso cablaggi più leggeri e semplici.

La valutazione iniziale del dispositivo può essere eseguita utilizzando la scheda di riferimento PCIe, compatibile con un PC industriale dotato di Fedora 27. Toshiba offre una gamma completa di driver e altre utility, nonché applicazioni di esempio e dimostrazioni TSN (Figura 5). Queste includono esempi di TAS in funzione per consentire la visualizzazione delle capacità di anticipazione, e l'effetto sulla velocità di trasmissione può essere analizzato con strumenti standard come iPerf.

Con i livelli fisici standardizzati e le implementazioni Ethernet di Livello 2 che soddisfano le esigenze in tempo reale dell'automazione industriale, è lecito chiedersi cosa aspettarsi dalla tecnologia di rete industriale di quarta generazione. Come in altri settori, anche i livelli superiori del modello OSI dovrebbero evolversi verso la standardizzazione. Organizzazioni come la OPC Foundation hanno istituito un gruppo di lavoro per affrontare la comunicazione a livello di campo (FLC) con l'obiettivo di creare un protocollo di comunicazione machine-to-machine con un'architettura unificata (OPC UA). Questo approccio aperto e multipiattaforma, unito a una solida sicurezza, ha il potenziale per semplificare notevolmente gran parte della complessità che gli ingegneri si trovano ad affrontare attualmente. L'installazione di nuove apparecchiature richiederebbe semplicemente che la macchina dichiari le proprie capacità (come i gradi di libertà di un robot, il carico utile massimo, ecc.) utilizzando strutture dati semplici e standardizzate che consentano ad altri sistemi di comprendere e integrare rapidamente le sue capacità nell'attività in corso.

Abstract:
Mentre Ethernet ha iniziato a sostituire molte tecnologie di rete tradizionali a livello fisico nei sistemi di automazione industriale, le diverse soluzioni proposte per il Livello 2 sono destinate a superare la tradizionale debolezza di Ethernet, che ne ha limitato l'adozione in molte applicazioni. L'avvento di TSN introduce la standardizzazione necessaria per garantire l'interoperabilità delle apparecchiature di diversi fornitori, con conseguente riduzione dei costi. Dispositivi come il TC9562, compatibile con software open-source, offrono un'ottima base per l'adozione di reti industriali basate su TSN.

Articolo fornito da Toshiba Electronics Europe GmbH