Ethernet

Jun 12, 2023

1 agosto 2022 | Di Gerd Niedermayer (BASF) e Benedikt Spielmann (Endress + Hauser)

Gli impianti di processo oggi dispongono di grandi quantità di dati disponibili a livello di campo da dispositivi intelligenti. Tuttavia, questi dati sono difficilmente accessibili ad altri livelli dell'organizzazione a causa delle diverse tecnologie di comunicazione tra i dispositivi a livello di campo e l'architettura Ethernet a livello aziendale. Questa mancanza di accesso ai dati ostacola l’implementazione di progetti di digitalizzazione e impedisce agli impianti di processo di ottenere i massimi benefici dagli approcci basati sui dati, come l’uso di gemelli digitali o modelli di manutenzione predittiva.

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) sta superando queste sfide fornendo connettività tra dati sul campo e sistemi aziendali alla velocità e alla larghezza di banda necessarie per applicazioni di livello superiore. Questo articolo spiega come viene utilizzato Ethernet APL e ne descrive in dettaglio le caratteristiche e i vantaggi.

Ethernet-APL trasmette energia e dati tramite un cavo a due fili e può raggiungere velocità di dati di 10 Mbit/s con cavi di lunga lunghezza. Ethernet-APL è conforme ai requisiti di sicurezza intrinseca e sono in fase di sviluppo soluzioni di sicurezza funzionale. A seconda della struttura topologica della rete, su un segmento Ethernet-APL possono esistere fino a 50 dispositivi APL o anche più di 200 dispositivi APL.

La tecnologia è stata lanciata alla conferenza Achema Pulse (Francoforte, Germania; www.achema.de) nel 2021 [1] ed è stata testata in un laboratorio BASF (Ludwigshafen, Germania; www.basf.de). Molti vantaggi sono stati dimostrati durante questa valutazione. Si prevede che la tecnologia si espanderà rapidamente con molti dispositivi di campo con interfacce APL già disponibili o che lo saranno presto.

La strumentazione industriale è progredita dalla tecnologia pneumatica originale ai dispositivi analogici e, inoltre, alle tecnologie digitali, come HART, Profibus PA o Foundation Fieldbus. Ciascuna nuova tecnologia ha offerto vantaggi rispetto alla generazione precedente, ma ciascuna presenta ancora i propri limiti.

Il protocollo HART è estremamente lento. La risoluzione dei problemi e la parametrizzazione devono essere eseguite localmente sull'apparecchio. Il cablaggio è costoso e il sistema richiede complesse conversioni di protocollo per l'accesso remoto. I tecnici HART sono tenuti a scalare manualmente le misurazioni durante la configurazione iniziale del dispositivo, nonché per la sostituzione del dispositivo. Questa tecnologia viene utilizzata principalmente per la parametrizzazione e la risoluzione dei problemi e molto raramente per il controllo del processo.

Anche le tecnologie fieldbus hanno una velocità di trasferimento dati lenta, sebbene sia più veloce del protocollo HART. Tuttavia, i sistemi fieldbus sono complessi in termini di conversioni di protocollo per l'accesso remoto, ingegnerizzazione dei segmenti e risoluzione dei problemi. Esiste una certa resistenza da parte del settore all’adozione diffusa della tecnologia dei bus di campo a causa della complessità associata al suo utilizzo.

L'architettura industriale esistente prevede un livello elettronico o bus di campo per i dispositivi di campo, una rete Ethernet dell'impianto per i livelli di supervisione e controllo e un Ethernet aziendale per la gestione e la pianificazione. Tuttavia, per consentire l'accesso continuo ai dati su tutti i livelli, è necessaria un'unica tecnologia di rete. Rendere disponibili grandi quantità di dati in tempo reale per l'ottimizzazione e i modelli analitici, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti degli ambienti difficili negli impianti di processo, è stato uno dei principali fattori che hanno portato allo sviluppo di Ethernet-APL. (Figura 1).

FIGURA 1. Esiste un “gap” Ethernet a livello di dispositivo di campo

FIGURA 1. Esiste un “gap” Ethernet a livello di dispositivo di campo

FIGURA 1. Esiste un “gap” Ethernet a livello di dispositivo di campo

Ethernet standard sembra offrire molte delle funzionalità necessarie per la prossima generazione di strumentazione da campo industriale. Tuttavia, esistono alcuni inconvenienti che ne rendono impossibile l’implementazione diretta in ambienti industriali. Ad esempio, 100BASE-TX Ethernet ha una velocità dati di 100 Mbit/s full duplex, ma la lunghezza dei cavi è limitata a 100 m.

Ethernet standard utilizza cavi CAT5/6 con quattro fili interni. Ciò è incompatibile con le installazioni industriali, che richiedono una soluzione a due fili per la strumentazione da campo. È fondamentale che una soluzione Ethernet industriale si integri con l’infrastruttura bifilare esistente per evitare la necessità di ricablare interi impianti, cosa che non sarebbe finanziariamente giustificabile.