Fieldbus Ethernet, cosa sono?

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L’automazione industriale si basa sul coordinamento di sensori ed attuatori, i quali devono interagire in modo efficiente ed efficace per poter sincronizzare macchine e processi, riducendo la necessità dell’intervento umano. Per questo motivo si è resa necessaria l’introduzione sistemi di comunicazione che permettessero l’interazione tra più dispositivi in modo rapido, sicuro ed economico.

La soluzione tradizionalmente adottata sono protocolli di comunicazione fieldbus, i quali lavorano in real-time e connettono con alta affidabilità macchinari e stabilimenti di produzione, creando un sistema che possa essere controllato in modo preciso ed affidabile. Tuttavia soffrono di alcuni limiti principalmente in termini di costi (sono protocolli proprietari) oltre al fatto che ciascuno di essi adotta configurazioni hardware ad-hoc.

Una possibile alternativa è costituita dallo standard Ethernet, tramite cui è possibile utilizzare protocolli di comunicazione standard, quali il TCP/IP e UDP. Il costo della rete basata sullo standard Ethernet è sempre minore, grazie all’aumento della sua diffusione in tutto il mondo; vi è inoltre la possibilità di collegarsi ad un qualsiasi dispositivo da un qualunque punto del mondo tramite Internet.

Tuttavia esistono problemi di compatibilità tra il mondo dell’automazione industriale e di quello Ethernet:

  • la difficoltà di garantire una comunicazione real-time con tempi di ciclo dell’ordine di centinaia di micro secondi;
  • la necessità di dover inviare dati di dimensioni molto piccoli. Questa proprietà è in contrasto con la comunicazione Ethernet prevede che il payload (parte in cui si scrivono i dati da scambiare) sia come minimo di 46 byte (42 per VLAN);
  • la difficoltà dello standard Ethernet di sincronizzare i vari dispositivi in modo da avere jitter temporali dell’ordine della decina di nano secondi;
  • la natura probabilistica dello standard Ethernet (ad esempio il CSMA/CD).

Nonostante tutti questi aspetti negativi, le aziende che operano nel mondo dell’automazione hanno migliorato le prestazioni del trasferimento dei dati sul protocollo Ethernet mantenendo i vantaggi di costi contenuti del protocollo stesso. Basandosi sugli standard IEC 61158 e IEC 61748, molte compagnie hanno modificato la struttura ISO/OSI presente nelle comunicazioni Internet in modo da raggiungere, attraverso strade diverse, le caratteristiche necessarie nella comunicazione Real Time: sono così stati ottenuti i Fieldbus Ethernet.

I Fieldbus Ethernet possono essere utilizzati per quei sistemi che devono soddisfare gli standard rilevanti per la sicurezza come il IEC 61508 o il EN 954-1. A seconda del protocollo attuale, i Fieldbus sono in grado di fornire misure come contatori, CRC,  timeout, l’identificativo univoco del mittente e del ricevitore o del controllo incrociato.

Alcuni Fieldbus che si basano sullo standard Ethernet Industriale sono:

PROFINET® (Process Field Network) è caratterizzato da performance classes (Classe A, Classe B, Classe C) a cui corrispondono differenti proprietà. Inoltre vi è la suddivisione tra PROTINET IO (caratterizzato da tempi di ciclo dell’ordine di 100ms), PROFINET RT (costituito da tempi di ciclo dell’ordine di 10 ms) e PROFINET IRT (Isochronous Real Time, i cui tempi di ciclo possono scendere sotto la soglia del millisecondo). Si basa sull’utilizzo della priorità VLAN per differenziare il traffico Real Time con quello asincrono (ad esempio TCP/IP);

 

 

ETHERNET POWERLINK è un protocollo open sviluppato idealmente da B&R. È standardadizzato da EPSG (Ethernet POWERLINK Standardization Group), organizzazione indipendente che ha sviluppato il protocollo di comunicazione. Si basa sulla gestione polling della comunicazione in cui il Master (chiamato Manager Node), invia la richiesta di comunicazione con gli Slave (chiamato Controlled Node) tramite il “Poll Requests” e ogni Slave risponde al Master utilizzando il “Poll Response”;

EtherCAT® (Ethernet for Control Automation Techology) è stato sviluppato da Beckhoff Automation e standardizato da ETG (EtherCAT Tecnology Group). Si basa sulla frammentazione del frame: il Master invia un frame in cui all’interno ci sono i dati per tutti gli Slave. Il frame passa all’interno di tutti gli slave in sequenza e viene processato “on the fly”;

Ethernet/IP (Ethernet Industrial protocol) è un protocollo open sviluppato da Allen-Bradley (Rockwell Automation) e ODVA (Open DeviceNet Vendors Association).  Il protocollo si basa sul hardware Ethernet e utilizza sia il protocollo TCP/IP che il protocollo UDP. Ha varie modalità di comunicazione tra cui:

    • comunicazione a polling ciclica;
    • time trigger o event trigger;
    • comunicazione multicast o connessione point-to-point.

 

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