La comunicazione dei dati tra vari dispositivi è fondamentale per molti aspetti della vita quotidiana. La proliferazione dei dispositivi e l'aumento vertiginoso dei volumi di dati guidato dalla digitalizzazione e dall'Industria 4.0 stanno introducendo grossi cambiamenti nel panorama della comunicazione. Questo articolo fornisce un approfondimento sullo standard 10BASE-T1L per Ethernet industriale a 2 fili, inclusi gli aspetti relativi a connettività, hardware, corrente e altro.
Introduzione
La comunicazione dei dati sta assumendo un ruolo sempre più importante, non solo nel settore industriale ma anche nell'automazione dei processi. Le precedenti applicazioni da 4 a 20 mA o basate su bus di campo stanno raggiungendo il limite fisiologico a causa dell'aumento costante dei volumi di dati ed Ethernet si sta quindi affermando come standard di comunicazione. La soluzione Ethernet standard a 4 fili si è evoluta in una soluzione a 2 fili nota come 10BASE-T1L, costituita da una coppia singola di fili intrecciati detta anche Ethernet a coppia singola (SPE). Oltre il livello fisico, 10BASE-T1L è compatibile con le tecnologie Ethernet industriali esistenti a 100 Mbps o 1.000 Mbps e offre quindi un'integrazione.
10BASE-T1L è in fase di standardizzazione, in particolare nell'automazione dei processi, e potrebbe arrivare a cambiare radicalmente tale settore. Solitamente, i sensori e gli attuatori vengono collegati tramite un'interfaccia analogica da 4 a 20 mA o un bus di campo. Nell'automazione dei processi, a differenza dell'ingegneria meccanica o dell'automazione degli impianti, tali sensori e attuatori si trovano generalmente a una certa distanza dal sistema di controllo o dai sistemi di I/O remoti. Normalmente si tratta di distanze comprese tra 200 e 1.000 m o più.
Cosa significa 10BASE-T1L?
Il nome 10BASE-T1L è abbastanza esplicativo e utilizza le abbreviazioni dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
Il valore "10" nel tipo di supporto fa riferimento a una velocità di trasmissione di 10 Mbps. "BASE" si riferisce ai segnali in banda base, vale a dire che solo i segnali Ethernet possono essere trasportati sul supporto. "T" indica il "doppino intrecciato", mentre "1" indica una portata di 1 km. In questo caso la cifra è seguita da "L", che sta per "lungo raggio", vale a dire che è possibile utilizzare segmenti di lunghezza pari o superiore a 1 km.
Con quali dispositivi e macchine è possibile utilizzare 10BASE-T1L e in quale misura è compatibile con l'infrastruttura esistente?
10BASE-T1L è progettato per sostituire il segnale standardizzato da 4 a 20 mA nella maggior parte delle applicazioni di automazione dei processi. Ciò non significa, tuttavia, che gli strumenti meno recenti collegati tramite loop di corrente da 4 a 20 mA dovranno essere sostituiti con strumenti compatibili con 10BASE-T1L. I dispositivi tradizionali possono essere collegati tramite moduli I/O configurabili tramite software (SWIO), mentre gli I/O remoti fungono da punto di raccolta per la connessione al PLC con un uplink Ethernet da 10 Mbps.
I moduli I/O configurabili tramite software dispongono di canali riconfigurabili, che consentono un funzionamento rapido, semplice e da remoto senza la necessità di ripetere il cablaggio. I canali possono essere configurati come ingresso o uscita per corrente e tensione oppure in formato digitale o analogico.
In alcuni casi, è necessario fornire tramite 10BASE-T1L sia la corrente per i dispositivi che i dati, come definito nell'ambito dello standard. 10BASE-T1L supporta due modalità di ampiezza: 2,4 V per lunghezze dei cavi fino a 1.000 m e 1,0 V per lunghezze inferiori, fino a 200 m. Tramite la modalità di ampiezza picco-picco da 1,0 V questa tecnologia può essere utilizzata anche in ambienti protetti dalle esplosioni (in aree pericolose) e soddisfa i rigidi requisiti di consumo massimo di corrente applicabili.
Quali vantaggi offre 10BASE-T1L?
I dispositivi tradizionali da 4 a 20 mA con HART® e bus di campo hanno un'ampiezza di banda per i dati limitata a pochi kbps. Con 10BASE-T1L è possibile raggiungere velocità pari a 10 Mbps. Questo permette di trasmettere i valori di processo e anche parametri aggiuntivi dei dispositivi, ad esempio informazioni di configurazione e parametrizzazione. In futuro, gli aggiornamenti software per sensori sempre più complessi e la diagnostica di rete e guasti, ad esempio i cortocircuiti sulla linea verso il sensore, verranno eseguiti in tempi relativamente brevi attraverso la linea dati. Anche la configurazione risulta più semplice, perché 10BASE-T1L elimina la necessità di gateway e convertitori. Grazie all'eliminazione dei gateway, i costi e la complessità delle installazioni meno recenti vengono notevolmente ridotti e le conseguenti isole di dati vengono eliminate.
Inoltre, la linea dati consente la trasmissione di correnti maggiori. Ad esempio, è possibile trasmettere 500 mW in aree a sicurezza intrinseca (aree pericolose) e persino fino a 60 W in aree non a sicurezza intrinseca.
Standard Ethernet quali PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA o ModbusTCP e protocolli IoT come MQTT possono consentire la connessione semplice e stabile dei dispositivi sul campo a un cloud.
10BASE-T1L funziona anche con i moduli switch?
Come avviene per lo standard Ethernet, 10BASE-T1L prevede bridge che consentono l'accoppiamento di vari segmenti di rete e dispositivi. È possibile realizzare diverse topologie di rete e utilizzarle per alimentare i dispositivi collegati. Nell'automazione dei processi, gli switch sono spesso collegati a controller, HMI e cloud. Gli switch consentono la ridondanza dei supporti sotto forma di topologie ad anello per una maggiore disponibilità.
Nell'automazione dei processi, le connessioni ai dispositivi, ai sensori e agli attuatori sono dette anche linee in derivazione, mentre le connessioni tra gli interruttori e il sistema di controllo sono dette giunzioni.
È possibile implementare l'alimentazione dei dispositivi tramite i "due fili"?
Lo standard 10BASE-T1L non si limita a consentire la comunicazione dei dati da sensori e attuatori, ma offre anche la possibilità di alimentarli tramite le linee di segnale. Concretamente, 10BASE-T1L può fornire fino a 60 W di corrente in aree non a sicurezza intrinseca. Nelle aree protette dalle esplosioni (a sicurezza intrinseca), la corrente è limitata a 500 mW. In questo caso, anche l'ampiezza del segnale viene ridotta da 2,4 a 1,0 V rispetto a quella delle applicazioni standard, per rispettare i severi requisiti di corrente massima applicabile. Ne risulta, tuttavia, che nelle aree a sicurezza intrinseca sono possibili solo distanze di trasmissione ridotte.
Conclusione
10BASE-T1L fornisce uno standard di comunicazione relativamente robusto per l'automazione dei processi che offre numerosi vantaggi rispetto alle applicazioni tradizionali da 4 a 20 mA, inclusa la possibilità di riutilizzare l'infrastruttura esistente.