Single Pair Ethernet e ASi-5 – Quale tecnologia ha senso utilizzare quando e dove?
Che cos'è Single Pair Ethernet?
Single Pair Ethernet (SPE) permette la trasmissione di dati via Ethernet con una sola coppia di fili intrecciati. Attualmente sono possibili velocità di trasmissione da 10 Mb/s a 1Gb/s.Di contro, l’attuale tecnologia Ethernet, utilizzata nelle applicazioni industriali, richiede due o quattro coppie di cavi.Il design bifilare di Single Pair Ethernet riduce così il peso del cablaggio di quasi la metà rispetto alle categorie di cavi Ethernet tradizionali.
Inoltre, con SPE avviene la standardizzazione della trasmissione di potenza. Con Power over Dataline (PoDL), energia e dati vengono inviati tramite un cavo con una potenza fino a 50 W, che non è compatibile con l'attuale standard Power-over-Ethernet.
L'impulso per lo sviluppo della tecnologia SPE proviene dall'industria automobilistica, perché il cablaggio rappresenta ormai gran parte del peso del veicolo.In campo industriale, Ethernet con SPE è destinato a colmare il divario tra il livello di controllo e il livello di campo, cioè le reti di sensori/attuatori - e creare una connessione Ethernet continua.Per questo motivo, i cavi e i connettori SPE sono nettamente più piccoli, più leggeri e più facili da installare rispetto alle precedenti soluzioni Industrial Ethernet, mentre con ASi si rinuncia completamente all’utilizzo dei connettori.
Indice
- Che cos'è Single Pair Ethernet?
- Conclusioni: Single Pair Ethernet e ASi-5
- FAQ su Single Pair Ethernet
- Cavo ASi = installazione molto semplice + distribuzione efficiente dell'alimentazione elettrica
- Confronto tecnico - ASi-5 contro Single Pair Ethernet
- Switch invece del convertitore di protocollo
- La rottura comunicativa tra ASi-5 e TCP/IP aumenta la sicurezza informatica
- ASi-5 elimina completamente il bisogno di connettori
- Che cos’è Ethernet-APL?
- SPE è sviluppato da diverse associazioni
Che cos’è Ethernet-APL?
Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) è una tecnologia sviluppata principalmente peressere utilizzata nell’industria di processo. Per poter accedere ai dati di campo tramite l'IIoT, sono necessarie interfacce compatibili con Ethernet nell’industria di processo. Ethernet-APL è una variante speciale di Single Pair Ethernet, basata su 10Base-T1L e che si collega tramite morsetti a molla o a vite.
Solidità, semplicità e protezione antideflagrante – Ethernet-APL soddisfa gli elevati requisiti dell’industria di processo
Ethernet-Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) basato su Single-Pair Ethernet (SPE) soddisfa gli elevati requisiti dell’industria di processo in termini di solidità, semplicità e protezione antideflagrante. Ethernet-APL consente la trasmissione di dati su distanze più lunghe fino a 1.000 metri, anche intemperature estreme e in condizioni ambientali difficili. Ethernet-APL è in grado di trasmettere dati a una velocità di trasmissione di 10 Mbps con un’alimentazione su due conduttori ed è perciò una soluzione economica per l’industria di processo. Con Ethernet-APL nell’automazione dei processi diventano possibili l’integrazione continua, il monitoraggio e il comando dei processi di produzione e degli impianti in tempo reale.
I cavi e i morsetti utilizzati nella tecnologia Ethernet-APL sono certificati secondo lo standard di protezione contro le esplosioni e soddisfano i requisiti di sicurezza negli ambienti a rischio di esplosione.
SPE è sviluppato da diverse associazioni
La tecnologia SPE viene sviluppata da diverse associazioni per una molteplicità di applicazioni.
Ogni associazione ha temi di interesse diversi e partner o membri provenienti da settori diversi. A questo riguardo è doveroso citare soprattutto le tre seguenti associazioni:
- Single Pair Ethernet System Alliance
Si tratta di un'associazione di aziende impegnate nella diffusione e nello sviluppo di soluzioni Single Pair Ethernet. I membri collaborano per rafforzare la consapevolezza dei vantaggi offerti da Single Pair Ethernet in diverse applicazioni e per promuovere la diffusione delle soluzioni SPE. Le attività di SPE System Alliance si concentrano sull’intero ecosistema SPE futuro e non su uno specifico sistema di connessione o prodotto.
- Single Pair Ethernet Industrial Partner Network
Fondata da sette leader tecnologici nel 2019, la SPE Industrial Partner Network è composta da oltre 50 aziende associate. Si tratta di un'associazione di aziende con pari diritti che stanno spingendo la tecnologia Single Pair Ethernet come base per una rapida crescita dell'IIoT. L'obiettivo della rete è quello di affermare SPE come nuova tecnologia Ethernet sul mercato, nel senso di un ecosistema completo con tutti i componenti necessari.
- Single Pair Ethernet Consortium (SPEC)
La SPEC è un’organizzazione indipendente dai produttori composta da leader tecnologici e utenti del settore della tecnologia di automazione degli edifici. Obiettivo del consorzio è accelerare l’introduzione di Single Pair Ethernet nella tecnologia di automazione degli edifici e promuovere l’impiego di soluzioni di rete flessibili, affidabili ed economici. Tra gli obiettivi di SPEC c’è anche la realizzazione di studi di casi, whitepaper e architetture di riferimento, nonché la collaborazione con altre iniziative e organizzazioni SPE.
Diversi tipi di connettori e di riferimenti normativi
Tutte le associazioni utilizzano diversi tipi di connettori e di riferimenti normativi ottimizzati per soddisfare i requisiti dei rispettivi settori e impieghi e spesso non compatibili tra loro. Finora non esiste una normativa valida per tutti che garantisca la compatibilità dei diversi sistemi e dispositivi. Vi sono tentativi di promuovere una standardizzazione dei connettori per le soluzioni SPE, tuttavia finora senza esito.
ASi-5 elimina completamente il bisogno di connettori
ASi collega sensori e attuatori con un controllo tramite un unico cavo profilato bifilare. Sul cavo ASi giallo vengono trasmessi contemporaneamente energia e dati con una potenza fino a 240 W. Con l'ultima generazione ASi, molte connessioni Ethernet convenzionali sul campo vengono già oggi sostituite facilmente e in modo economico.Il più grande vantaggio di ASi, oltre ai costi più bassi, è il fatto che grazie alla tecnica a perforazione di isolante si può rinunciare a cavi e connettori preassemblati.
Tra l'altro, ASi-5 è un sistema che è stato riprogettato da zero ed è adattato in modo ottimale ai requisiti dell’Industry 4.0.Grazie alle grandi dimensioni dei dati e ai brevi tempi di ciclo - che sono più che sufficienti per molte soluzioni basate su Ethernet nell'automazione - sono possibili molte soluzioni che prima non erano fattibili con AS-Interface.
Pertanto, ASi-5 viene già utilizzato per sostituire le connessioni Ethernet convenzionali in modo economico e semplice. A tale scopo offriamo una vasta gamma di soluzioni. Ecco tre esempi:
con il nostro modulo motore ASi-5 per SEW MOVIMOT® (BWU4068) si ottiene la stessa immagine dei dati come con un'interfaccia PROFINET acquistabile come optional del produttore.
I moduli motore ASi-5per Interroll EC5000 AI (BWU4246, BWU4212) forniscono gli stessi dati per il controllo degli azionamenti come i controller dei rulli basati su Ethernet del produttore.
Con i nostri master IO-Link ASi-5 (ad esempio BWU4067, BWU3819) è possibile - con l'intera gamma di prestazioni di IO-Link - risparmiare fino al 40% per un'applicazione media con 50 dispositivi IO-Link, rispetto a soluzioni Ethernet comparabili.
Cavo ASi = installazione molto semplice + distribuzione efficiente dell'alimentazione elettrica
Con ASi e/o ASi-5 beneficiate della comprovata tecnologia a perforazione di isolante.I moduli vengono semplicemente inseriti sul cavo profilato senza connettore a spina - con la massima affidabilità di contatto.Il cavo profilato viene semplicemente preso dalla bobina di cavo nella lunghezza desiderata e i moduli vengono posizionati esattamente dove servono, con precisione al millimetro. Non ci sono tratti di cavi inutili, come risulta invece inevitabile con i cavi preassemblati, né sono necessari costosi connettori o raccordi a T.
Switch invece del convertitore di protocollo
A differenza di ASi-5, SPE non richiede convertitori di protocollo. Grazie al livello fisico di SPE, i dati sono raccolti in un protocollo uniforme alla fonte dell'informazione (sensore) e trasmessi tramite interruttori - distributori senza intelligenza - alla posizione di uscita di un partecipante di rete (computer). Per evitare perdite, questi dati sono memorizzati nella cache dello switch. Il gateway ASi-5, invece, è un partecipante di rete intelligente con uno switch integrato
Inoltre, "traduce" i dati nell'ASIC ASi-5 per il controllore superiore. I dati - così come i messaggi diagnostici - possono essere visualizzati anche direttamente sul display o comodamente tramite accesso remoto.
La rottura comunicativa tra ASi-5 e TCP/IP aumenta la sicurezza informatica
Nell'era dell'Industria 4.0, il numero di componenti intelligenti sul campo sta crescendo in modo esponenziale. La sicurezza informatica e la sicurezza di rete stanno quindi diventando sempre più importanti. Quali misure di sicurezza sono necessarie per SPE e quali per ASi-5? La differenza più importante tra le due tecnologie in questo contesto è il gateway ASi, che crea una rottura logica tra ASi-5 e TCP/IP e rappresenta un'ulteriore “porta di sicurezza”. Questa rottura comunicativa isola molti partecipanti alla rete e quindi colma le lacune di sicurezza. I responsabili della sicurezza della rete possono quindi concentrarsi su un numero molto minore di dispositivi e controllarli con maggiore attenzione.
Un altro vantaggio: se si desidera cambiare il protocollo del bus di campo per l'ASi-5, è sufficiente sostituire il gateway corrispondente. Tutti i moduli, i sensori e gli attuatori ASi possono rimanere invariati. Con SPE, invece, non dovete proteggere solo un partecipante (il gateway), ma anche tutti i sensori e gli attuatori da possibili attacchi TCP/IP. E se si cambia il protocollo del bus di campo, spesso si devono sostituire anche tutti i sensori e gli attuatori, a meno che non supportino il nuovo protocollo.
Come viene definito lo standard SPE con una velocità di trasmissione dati di 10 Mbit/s? Come sono definite le regole per collegare i partecipanti (ad esempio con Multidrop)?
Lo standard associato è IEEE 802.3cg. Contiene un
- Canale ShortReach (punto-multipunto) in un canale di 25 m con max. 8 partecipanti e capacità di Multidrop
Conclusioni: Single Pair Ethernet e ASi-5
Qual è la conclusione del confronto tra ASi-5 e Single Pair Ethernet? Ovviamente, non è facile dare una valutazione finale basata sullo stato attuale dell'arte. Tuttavia, si possono fare le seguenti affermazioni:
"Un'infrastruttura snella, leggera, ma allo stesso tempo potente per Ethernet era necessaria per permettere all'industria di digitalizzare il livello di campo e quindi fare il passo verso l'IIoT." (Fonte: single-pair-ethernet.com)
Single Pair Ethernet ha i suoi punti di forza con un'elevata dimensione dei dati, alti volumi di dati e utilizzando uno switch invece di un convertitore di protocollo.
ASi è stato sviluppato per le applicazioni tipiche di campo nelle macchine e negli impianti ed è proprio qui che si trovano i suoi punti di forza.
ASi-5 sostituisce oggi l'Ethernet convenzionale in molte applicazioni, ad esempio nella tecnologia di azionamento o con IO-Link.
SPE e ASi hanno entrambi la possibilità di integrare in maniera utile Ethernet sul campo grazie alla loro infrastruttura sottile, leggera, ma allo stesso tempo potente.
Gli utenti qui possono scegliere: le opzioni schermate/non schermate sono disponibili per ogni standard SPE. Tuttavia, queste varianti di cavi non sono obbligatorie nelle specifiche. Con un cavo SPE schermato, la lunghezza cavo può essere notevolmente aumentata a seconda dello standard, che a sua volta specifica la velocità - ad esempio, a 1 Gbit/s, definito da 1000BASE-T1 o IEEE 802.3bp, da 15 m (non schermato) a 40 m (schermato).
Il consorzio SPE System Alliance rilascia la seguente dichiarazione sulla sua homepage (singlepairethernet.com): "Una guaina in acciaio inossidabile completamente chiusa a 360° che racchiude l'intero connettore [SPE] garantisce un'eccellente compatibilità elettromagnetica (EMC)". Si può quindi supporre che SPE sia resistente alla EMC in un ambiente industriale, specialmente con la schermatura di connettori e cavi menzionata.
Poiché PROFINET è un protocollo basato su Ethernet, di norma può essere trasmesso tramite SPE. SPE è semplicemente un nuovo livello fisico, cioè un nuovo hardware per il trasporto di informazioni di protocolli come Ethernet.
I diversi livelli fisici sono collegati tra loro tramite uno switch per la comunicazione.
Per via della fase di sviluppo, non sono ancora state pubblicate informazioni più dettagliate. Tuttavia, si può partire dal presupposto che il cablaggio in un tale caso di applicazione sia orientato all'implementazione con Ethernet convenzionale.
Avrebbe senso collegare uno switch con 32 porte, ognuna a una velocità dati di 10 Mbit/s, a un controllore tramite una porta da 1 Gbit/s. Questo è l'unico modo per assicurarsi che ogni porta possa usare l'intera larghezza di banda in ogni momento. La maggior parte delle applicazioni SPE sul campo potrebbe essere una combinazione di switch e collegamenti punto-punto. I collegamenti punto-punto, ciascuno limitato a 1.000 m di lunghezza, collegherebbero i sensori uniti allo switch.
SPE e ASi-5 offrono entrambi un'infrastruttura snella, leggera, ma allo stesso tempo potente. Di conseguenza, rendono superflua l’Ethernet sul campo in molte postazioni. Al contempo, SPE e ASi-5 rendono più facile per l'industria la digitalizzazione del livello di campo - e quindi il passo verso l'IIoT.
