Nel competitivo mercato globale, l'obiettivo è produrre prodotti sempre più complessi, di qualità costantemente elevata e a costi dettati dal mercato, spesso in versioni personalizzate. Le fabbriche intelligenti, che si adattano autonomamente alle mutevoli esigenze produttive secondo i principi dell'Industria 4.0, sono essenziali per raggiungere questo obiettivo.
Aumento delle esigenze di comunicazione:
i sistemi di produzione in rete devono comunicare non solo tra loro, ma anche con altri sistemi all'interno dell'azienda. Questa esigenza di comunicazione comprende tutto, dai sensori e attuatori sul campo, passando per i controllori e i computer master, fino ai data center locali e centrali e al cloud. Ciascuno di questi punti funge sia da fonte che da destinazione dei dati.
La continua miniaturizzazione della microelettronica ha abbattuto la rigida separazione tra computer di controllo e dispositivi periferici. Poiché sensori e attuatori sono sempre più dotati di processori propri, il numero di nodi di rete intelligenti sul campo sta crescendo rapidamente. L'architettura per l'elaborazione dei dati, centralizzata o distribuita, dipende da criteri sia tecnici che economici, compresi i costi di trasmissione dei dati su reti pubbliche come il 5G.
Il tradizionale modello gerarchico di scambio di informazioni si sta evolvendo verso un approccio di comunicazione dati trasversale. Questo cambiamento è guidato dalla necessità di migliorare la produttività, la stabilità dei processi, la qualità dei prodotti e l'efficienza energetica, tutti fattori che richiedono informazioni di alta qualità e, di conseguenza, un aumento dei volumi di trasferimento dati.
Ethernet nelle applicazioni industriali
Nell'ambito dell'informatica (IT) tradizionale, lo standard di rete Ethernet è diventato il punto di riferimento per lo scambio rapido di grandi quantità di dati. Essendo lo standard leader a livello mondiale per la connessione in rete dei computer negli ambienti d'ufficio, Ethernet offre un'elevata larghezza di banda di trasmissione. Inoltre, la suite di protocolli TCP/IP facilita la comunicazione dati standardizzata a livello globale attraverso i confini delle singole reti locali (LAN).
Dato il crescente volume di dati nelle macchine e nei sistemi industriali, era chiaro che Ethernet dovesse essere adottata anche per le applicazioni di tecnologia operativa industriale (OT). Tuttavia, la precisa sincronizzazione dei processi di movimento nelle applicazioni industriali richiede capacità in tempo reale in molti ambiti. Per raggiungere questo obiettivo, una temporizzazione prevedibile è almeno altrettanto cruciale quanto una velocità di trasmissione dati sufficientemente elevata.
Sebbene Ethernet consenta la trasmissione rapida di grandi quantità di dati, non offre la temporizzazione deterministica richiesta da alcune applicazioni industriali. Ciò rende necessari miglioramenti per soddisfare i rigorosi requisiti degli ambienti industriali.
Capacità in tempo reale necessarie per la produzione:
la capacità di ottenere un comportamento deterministico in tempo reale è possibile solo con una base temporale comune per tutti i partecipanti alla rete. Per ottenere un comportamento prevedibile in tempo reale con tempi di ciclo isocroni inferiori a un millisecondo, i produttori di sistemi di automazione hanno creato una gamma di diversi protocolli proprietari in tempo reale sotto l'egida di Industrial Ethernet.
I sistemi fieldbus basati su questi protocolli facilitano la trasmissione rapida di grandi volumi di dati e il trasporto di dati sensibili sulle stesse linee utilizzando la tecnologia "black channel". Tuttavia, questi sistemi spesso si discostano considerevolmente dallo standard Ethernet e presentano problemi di compatibilità tra loro e con le reti circostanti.
Eliminazione dei sistemi bus proprietari:
l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ha sviluppato lo standard Ethernet Time-Sensitive Networking (TSN), un'estensione di Ethernet per includere funzionalità in tempo reale. Lo standard IEEE 802.1 TSN regola il comportamento della trasmissione dei pacchetti di dati sincronizzando il tempo utilizzando una base temporale comune e offre opzioni per la pianificazione del traffico e la configurazione automatizzata del sistema. Queste caratteristiche sono essenziali per l'interconnessione universale di tutti i sistemi informatici.
Un altro requisito fondamentale è un protocollo di comunicazione aperto e in tempo reale per evitare le complessità e la potenziale perdita di dati associate alla traduzione tra sistemi di diversi produttori. Questa sfida è stata affrontata nel novembre 2018 con l'introduzione di OPC UA su TSN in SPS, una piattaforma di comunicazione universale in tempo reale che si estende fino al livello del sensore.
Rinominato OPC UA FX (Field eXchange), questo standard risolve i precedenti problemi di compatibilità con un unico protocollo standardizzato a livello globale. Compatibile con i principali produttori di hardware, funge da base per tutte le applicazioni IIoT ed è fondamentale per integrare IT e OT in un'unica rete.
Scopri di più sulla tecnologia alla base di TSN e sul nuovo linguaggio globale OPC UA FX in questo articolo tecnico di Kontron.
Un unico standard per la comunicazione in tempo reale,
TSN, si sta rapidamente affermando come standard definitivo per le comunicazioni dati in tempo reale. La ridefinizione di Ethernet ha migliorato significativamente le prestazioni, consentendo la creazione di reti con decine di migliaia di nodi. Queste reti possono comunicare fino a 18 volte più velocemente di qualsiasi protocollo precedente e sono anche molto facili da gestire e configurare. Questo progresso permette di combinare l'elaborazione digitale delle immagini e la tecnologia di azionamento sincronizzato in tempo reale utilizzando hardware locale economico.
Anche i terminali sprovvisti di funzionalità TSN possono funzionare senza problemi sulle reti TSN, il che suggerisce che le installazioni Ethernet supporteranno in futuro le funzionalità TSN come standard. Questo cambiamento eliminerà gli attuali costi elevati associati al superamento dei problemi di compatibilità, facilitando l'integrazione di componenti di sistema critici in termini di tempo nell'Internet delle cose (IoT). Di conseguenza, ciò consentirà la realizzazione dei concetti di Industria 4.0. Inoltre, il comportamento deterministico della temporizzazione della comunicazione dati offre vantaggi significativi in molte applicazioni, oltre a macchine e sistemi di produzione.
stata tra le prime ad adottare questa tecnologia
. In qualità di pioniere del TSN, l'azienda ha lanciato un Time-Aware Networking Starter Kit nell'aprile 2018. Questo ambiente software completo supporta programmatori e utenti, affrontando la configurazione di rete significativamente più complessa richiesta dal TSN rispetto allo standard Ethernet. Lo Starter Kit include anche hardware compatibile con TSN per i test in ambienti reali, facilitando l'adozione della tecnologia da parte dei progettisti di sistemi.
Uno dei primi prodotti Kontron compatibili con TSN è stata una scheda plug-in PCIe che fornisce fino a quattro canali TSN esterni. Questi canali possono essere utilizzati singolarmente, in coppie ridondanti o in una configurazione ad anello, consentendo la creazione di reti TSN indipendenti dalla topologia. Kontron ha implementato una logica di comunicazione veloce utilizzando un FPGA (Field Programmable Gate Array), che consente una risposta rapida e semplice alle modifiche degli standard tramite il ricaricamento con le versioni più recenti.
Il modulo compatto SMARC sAL28 offre fino a cinque porte Gigabit Ethernet e uno switch TSN integrato, risultando ideale per la concentrazione dei dati come dispositivo edge.
i prodotti compatibili con
come funzionalità standard in un numero crescente di prodotti, inclusi i suoi più recenti Box PC, server rack, workstation e Panel PC, nonché moduli COM Express®, schede madri e SBC da 3,5". Ciò è reso possibile dall'integrazione della funzionalità TSN nei semiconduttori di diversi produttori, come i processori Intel® Core™ fino all'attuale 14a generazione. Questi processori supportano la tecnologia Intel Time Coordinated Computing (TCC), che abilita TSN.
Ad esempio, il modulo client COM-HPC® (High Performance Computing) COMh-ccAS con processori Intel® Core™ S di dodicesima generazione offre la potenza necessaria per applicazioni versatili in ambito di reti, automazione, misurazione e tecnologia medica che richiedono elaborazione grafica intensiva e prestazioni elevate. Anche il modulo client/COM HPC COM di dimensioni industriali A COMh-caRP, dotato di processori Intel® Core™ di tredicesima generazione, fino a 64 GB di RAM DDR5 e fino a 2,5 Gb Ethernet con supporto TSN, è adatto per applicazioni industriali.
L'impegno di Kontron nei confronti di TSN va oltre i processori Intel. Il System-on-Module (SoM) saldabile OSM-S i.MX8M Plus integra un potente processore i.MX8M Plus Quad Arm® con un processore AI quad-core da 1,6 GHz, 64 GB di memoria eMMC e 4 GB di RAM LPDDR4. Una delle sue due porte GbE-LAN offre funzionalità TSN, il tutto in un formato compatto di 30 x 30 mm.
Dai moduli più piccoli ai PC Box e Panel integrati, inclusa la famiglia di sistemi industriali rackmount KISS V4 ADL e la workstation KWS, il portfolio di hardware per il calcolo industriale di Kontron, con ampi intervalli di temperatura e funzionalità TSN, soddisfa una vasta gamma di esigenze. Inoltre, Kontron offre sviluppi e varianti personalizzate, supportando i clienti nell'implementazione di specifici progetti di automazione tramite Kontron AIS.
Componente chiave: switch Ethernet.
L'implementazione di soluzioni complesse in ambienti industriali difficili richiede un'interazione perfetta tra hardware, software e connettività con i sistemi di produzione. Questa perfetta integrazione è fondamentale per implementare con successo la trasformazione digitale nel settore manifatturiero. Di conseguenza, gli switch industriali sono elementi essenziali per applicazioni efficaci di Industria 4.0 e IIoT.
Oltre a schede, moduli e sistemi industriali, il portfolio prodotti di Kontron comprende anche switch Ethernet industriali. Il KSwitch D10 MMT è uno switch TSN gestito a otto porte, robusto ed economico, progettato per reti ad alta velocità e Gigabit. Questo dispositivo industriale è dotato di un robusto alloggiamento in metallo che lo rende resistente agli agenti atmosferici. Funziona in un ampio intervallo di temperature, da -40 a +75 °C, e supporta un intervallo di alimentazione esteso da 12 a 58 V CC. Il KSwitch D10 MMT include sei porte Fast & Gigabit Ethernet con connettori RJ45, oltre a due porte aggiuntive con interfacce in fibra RJ45 e SFP che supportano velocità fino a 2,5 GbE/s. È dotato di una serie completa di funzionalità TSN e capacità di gestione conformi agli standard IEEE 802.1 TSN.
Grazie alla completa integrazione di TSN nell'hardware, inclusi gli switch, Kontron semplifica l'implementazione di reti convergenti basate su Ethernet. Queste reti consentono alle comunicazioni deterministiche e sincronizzate nel tempo di funzionare in parallelo con il normale traffico IT, facilitando la creazione di veri e propri ambienti IIoT o Industria 4.0 basati su standard di protocollo Ethernet comuni.
Reiner Grübmeyer, direttore della gestione prodotti per sistemi e software presso Kontron, afferma: "Integrando completamente TSN nel nostro hardware, inclusi gli switch, semplifichiamo agli utenti l'implementazione di reti convergenti basate su Ethernet, in cui le comunicazioni deterministiche e sincronizzate nel tempo funzionano in parallelo con il normale traffico IT."
Autore: Reiner Grübmeyer, Direttore della gestione prodotti per sistemi e software presso Kontron
