Le misurazioni fisiche di elementi come temperatura, pressione, prossimità o luce vengono trasformate in informazioni digitali che il sistema può elaborare, e i risultati dei calcoli vengono poi convertiti in azioni fisiche di dispositivi reali, come valvole, ventilatori, alimentatori, indicatori, ecc. Le reti di tecnologia dell'informazione (IT) e di tecnologia operativa (OT) tendono a utilizzare tecnologie simili per facilitare il flusso di dati all'interno dell'organizzazione.

Un modo per avvicinare l'IT e l'OT è quello di utilizzare un'unica rete sottostante per la comunicazione tra più sistemi. Quando l'elettronica ha fatto il suo ingresso nel campo dell'automazione, vari sottosistemi distribuiti si sono specializzati e definiti dall'hardware utilizzato. Le tecnologie di comunicazione, ottimizzate per applicazioni specifiche, sono state definite per queste architetture hardware specifiche per dominio. Ciascuna utilizzava bus specializzati per la comunicazione, richiedendo gateway complessi per tradurre i protocolli di comunicazione da un sistema hardware all'altro.

Nel tempo, le architetture centralizzate e definite via software stanno sostituendo gli approcci obsoleti. Invece di domini o funzioni separati e indipendenti, le interfacce elettroniche vengono raggruppate in zone all'interno di un'azienda e connesse a una moderna piattaforma di elaborazione centralizzata. Utilizzano la ormai onnipresente tecnologia Ethernet per trasportare i dati dove sono necessari. Ethernet è scalabile. Un singolo stack software può utilizzare diversi livelli hardware fisici per trasferire informazioni a velocità variabili senza alterare i dati stessi. Viene utilizzato un unico formato di frame Ethernet, indipendentemente dalla larghezza di banda di un dato collegamento Ethernet. Gli switch Ethernet regolano automaticamente la velocità di trasmissione dei dati su ciascuna delle loro porte.

Ai margini della rete, vari sensori (temperatura, pressione, luce, prossimità, ecc.) raccolgono dati dal mondo fisico e li convertono in informazioni digitali. Una volta elaborati, gli attuatori (motori, luci, ventole, valvole, ecc.) traducono i dati digitali in azioni fisiche. Questi dispositivi in ​​genere non richiedono grandi quantità di dati, ma è importante che il cablaggio sia semplice e facile da installare. La tecnologia Ethernet 10BASE-T1S è stata sviluppata per queste applicazioni e porta l'architettura Ethernet a dispositivi molto semplici. La Figura 1 illustra questa tendenza tecnologica.

Definito dall'hardware Definito dal software 

• Hardware specifico per il dominio. - Zone connesse a processi centralizzati
• Bus multipli specifici per applicazioni - Rete Ethernet onnipresente basata su IP
• Passerelle distribuite - Un formato di pacchetto
• Cablaggio complesso - Cablaggio di bordo a basso costo, a coppia singola e multipunto

Figura 1: Tendenze nelle reti

Tecnologia 10BASE-T1S

Ethernet 10BASE-T1S è stato sviluppato specificamente per queste architetture zonali. Opera a 10 Mbps su una singola coppia di fili bilanciati. La tecnologia 10BASE-T1S si basa sui semplici meccanismi utilizzati quando Ethernet è diventato uno standard oltre 40 anni fa, ma li migliora per sfruttare in modo più efficace l'intera larghezza di banda disponibile.

Inizialmente Ethernet utilizzava un singolo cavo coassiale al quale venivano collegati direttamente più dispositivi. Gli switch, oggi ampiamente utilizzati, sono stati sviluppati in seguito per eliminare gli inconvenienti causati dalla natura multipunto dello schema originale. Tuttavia, hanno introdotto complessità e costi, e hanno portato alla necessità di connessioni punto-punto specifiche tra un dispositivo e uno switch.

La prima versione di Ethernet funzionava utilizzando più dispositivi che rilevavano la linea a cui erano collegati e tentavano di trasmettere dati. Se un solo dispositivo iniziava a trasmettere, poteva inviare un pacchetto completo di informazioni. Se più dispositivi tentavano di trasmettere contemporaneamente, si verificava una collisione sulla linea, che veniva rilevata da tutti i dispositivi. I dispositivi si spegnevano e riprovavano dopo un intervallo di tempo casuale. Questa tecnologia era chiamata CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Il suo principale svantaggio era che, con l'aumentare del numero di dispositivi collegati alla dorsale a singolo filo, aumentavano anche le collisioni e si perdeva sempre più tempo in tentativi di ritrasmissione. La larghezza di banda effettiva del collegamento diventava quindi molto limitata.

Prevenzione delle collisioni a livello fisico (PLCA)

Ethernet 10BASE-T1S risolve questo problema introducendo un meccanismo di arbitraggio chiamato PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Il PLCA è progettato per reti half-duplex e multidrop come 10BASE-T1S ed elimina i problemi associati al CSMA/CD nei segmenti multidrop.

Con PLCA, il ciclo di trasmissione inizia con un segnale inviato da un nodo coordinatore (Nodo 0) che i nodi della rete utilizzano per sincronizzarsi. Dopo l'invio del segnale, l'opportunità di trasmissione passa al Nodo 1. Se non ha dati da inviare, cede la sua opportunità al Nodo 2, e così via, continuando il processo finché a ciascun nodo non è stata offerta almeno un'opportunità di trasmissione. Il nodo coordinatore avvia quindi un nuovo ciclo, inviando un altro segnale.

Per evitare che un nodo blocchi il bus, una funzione "jabber" interrompe la trasmissione di un nodo se supera il tempo assegnato, consentendo al nodo successivo di trasmettere. Il risultato è nessun impatto sulla velocità di trasmissione dei dati e nessuna collisione di dati sul bus. CSMA/CD può presentare latenze casuali causate da collisioni di dati. PLCA offre una latenza massima garantita e altre funzionalità che superano queste limitazioni. La Figura 2 illustra il funzionamento di PLCA.

Figura 2: Prevenzione delle collisioni a livello fisico (PLCA)

Sicurezza

Una volta recuperati i bit e i byte di dati dal flusso che li ha trasportati da un dispositivo all'altro, questi vengono inviati ai livelli software superiori in un formato di pacchetto Ethernet standard. Questo formato include un indirizzo di destinazione, un indirizzo di origine, alcuni bit di gestione e un payload. Il formato non cambia al variare del livello fisico. Ciò significa che il livello software rimane costante anche quando la velocità della rete cambia man mano che vengono aggiunti sempre più dati da elaborare da parte di un sistema informatico. La Figura 3 illustra il concetto generale.

Figura 3: Ethernet dal bordo della rete al cloud.

Anziché utilizzare bus e protocolli multipli agli endpoint di una rete OT, è possibile impiegare meccanismi Ethernet per connettersi a questi dispositivi. Tutte queste esigenze possono essere soddisfatte tramite meccanismi Ethernet consolidati.

Ciò include meccanismi di sicurezza per prevenire l'intrusione o lo spionaggio dei dati, o peggio, l'interferenza con i sistemi fisici che utilizzano i dati. Ethernet è utilizzato in applicazioni ad altissima sicurezza, come quelle bancarie, perché la resilienza informatica delle reti Ethernet è ben sviluppata. Altre tecnologie di comunicazione specializzate potrebbero avere poche o nessuna funzionalità di sicurezza informatica. Dovrebbero essere sviluppate e poi mantenute. Sarebbe inoltre necessario predisporre la logistica per fornire queste funzionalità. Questa logistica può essere più complessa della progettazione e produzione di un prodotto hardware. Sono necessarie strutture ad accesso controllato e le violazioni della catena di fiducia possono verificarsi in qualsiasi punto della catena di fornitura. Sono pochissimi i fornitori di semiconduttori preparati a gestire questo compito.

Ethernet è parte integrante dell'infrastruttura di analisi dei dati. I big data vengono utilizzati per analizzare le tendenze e fornire servizi. La manutenzione predittiva, la diagnostica remota e altri servizi di monitoraggio richiedono l'accesso a tutti i dati di un sistema, e Ethernet può fornire accesso anche agli angoli più remoti di un'infrastruttura industriale. Questo si integra perfettamente con la necessità di software in grado di gestire diversi processi e consentire adattamenti dinamici in base all'evoluzione tecnologica.

Sicurezza funzionale

L'utilizzo di tecnologie standardizzate, come Ethernet, semplifica anche lo sviluppo di sistemi funzionalmente sicuri. La sicurezza funzionale significa che, in caso di guasto di un componente, il sistema è in grado di reagire in modo prevedibile per prevenire in sicurezza ulteriori problemi. I diversi settori industriali utilizzano standard differenti. Ad esempio, l'industria automobilistica si avvale della norma ISO 26262. Le applicazioni industriali utilizzano la norma IEC 61508. Le applicazioni mediche, di consumo e altre ancora hanno standard propri. Tuttavia, sono tutti simili. La sicurezza funzionale si applica all'intero sistema, ma i progettisti di sistemi devono garantire che i componenti utilizzati siano funzionalmente sicuri per poter certificare l'intero sistema.

I componenti a semiconduttore, ad esempio, devono essere accompagnati da manuali di sicurezza funzionale che analizzano e diagnosticano gli effetti delle modalità di guasto. Questo processo è noto come FMEDA (Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis) ed è un metodo per determinare le cause dei guasti e il loro impatto sul sistema. Viene applicato nelle prime fasi dello sviluppo del sistema per individuare e correggere eventuali punti deboli.

Riepilogo

La tecnologia Ethernet 10BASE-T1S crea nuove opportunità di business per la connessione di reti OT e IT che richiedono interoperabilità e sicurezza. I dati possono essere accessibili dai nodi ai margini della rete e utilizzati per abilitare nuovi servizi predittivi intelligenti, nonché soluzioni di gestione e tracciamento degli asset.

I costi di sistema sono ridotti grazie alla semplificazione dei componenti, della progettazione del software e del cablaggio. I gateway vengono eliminati. Il numero di porte di commutazione utilizzate è ridotto poiché più dispositivi si connettono a un'unica linea bus tramite un singolo cavo a doppino.

Il rischio viene ridotto grazie all'utilizzo di interfacce unificate e meccanismi di sicurezza consolidati. Ethernet 10BASE-T1S integra le soluzioni legacy ai margini delle reti IoT. Consente una progettazione, uno sviluppo software, un test e una manutenzione unificati a tutti i livelli delle reti OT e IT. Architetture più semplici con una maggiore sicurezza riducono i rischi per i progettisti e consentono la realizzazione di sistemi funzionalmente sicuri.

Autore: Henry Muyshondt, Direttore Marketing Senior, Business Unit Sistemi Informativi per l'Automazione, Microchip Technology