Ethernet/IP per l’automazione industriale

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fig2Nato all’inizio del nuovo millennio, il protocollo, che combina l’Ethernet tradizionale a un protocollo industrial application layer indirizzato all’automazione industriale, offre molti vantaggi.

Presentato nel marzo 2000 e introdotto nel 2001, EtherNet/IP nasce dalla collaborazione tra ControlNet International (CI), la Open DeviceNet Vendor Association (Odva) e l’Industrial Ethernet Association (IEA), con l’obiettivo di produrre un protocollo network in grado di indirizzare l’elevata domanda proveniente dagli utenti dei network Ethernet più usati nelle applicazioni più diffuse. In sintesi, Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) è un Ethernet tradizionale combinato con un protocollo industrial application layer indirizzato all’automazione industriale. EtherNet/IP è tra i network che implementano il Common Industrial Protocol (CIP) a livelli elevati.  Il Common Industrial Protocol comprende una suite comprensiva di messaggi e servizi per una varietà di applicazioni di manufacturing automation, che comprendono controllo, sicurezza, sincronizzazione, movimento, configurazione e informazione. Questo protocollo, indipendente dal mezzo utilizzato, è supportato da centinaia di vendor intorno al mondo e fornisce agli utenti un’architettura di comunicazione unificata utile all’industria manifatturiera. EtherNet/IP, che adatta il CIP alla tecnologia Ethernet, è la stessa tecnologia network usata nella maggior parte delle architetture Lan (Local area network) e Wan (Wide area network) comunemente adoperate nelle applicazioni domestiche e commerciali in tutto il mondo. Queste architetture connettono i computer tra loro e alle periferiche, collegando le informazioni all’impresa e dando agli utenti la possibilità di accedere ad applicazioni su Web per ottenere informazioni sui dati relativi alle loro attività aziendali ovunque e in ogni momento.

Molti sono i vantaggi

Ethernet/IP offre molti vantaggi per le applicazioni di automazione nel manufacturing. Consente agli utenti di controllare, configurare e raccogliere dati da dispositivi intelligenti su un singolo network nell’ambito di servizi completi produttori-consumatore o di usare un singolo network come struttura portante per multipli network distribuiti CIP. È, inoltre, compatibile con protocolli Internet standard (come HTTP, FTP, SNMP e DHCP) e protocolli standard industriali per accesso e scambio ai dati come OPC. La conformità agli standard IEEE Ethernet fornisce agli utenti la possibilità di scegliere la velocità dell’interfaccia network – come 10, 100 Mbps e 1 Gbp – e un’architettura network flessibile compatibile con opzioni di installazioni Ethernet commercialmente disponibili che includono tra l’altro rame, fibra e Wireless. Ethernet/IP propone opzioni per dispositivi industriali che comprendono connettori valutati IP67 (RJ45 o M12) e, come altri networks CIP, segue il modello Open Systems Interconnection (OSI), che definisce una struttura per implementare protocolli network in sette strati (o layer): fisico, di collegamento ai dati, di network, trasporto, sessione, presentazione e applicazione. I network che seguono questo modello definiscono una serie completa di funzionalità di network, dall’implementazione fisica attraverso l’applicazione o il layer di interfaccia utente. L’Ethernet ha la caratteristica unica di essere un network con una infrastruttura attiva. Ma, a differenza di un dispositivo tipico o network di livello di controllo, che generalmente ha una infrastruttura passiva che limita il numero di dispositivi che possono essere connessi e il modo in cui possono essere connessi, l’infrastruttura network EtherNet/IP può ospitare un numero virtualmente illimitato di nodi punto a punto, fornendo agli utenti una flessibilità non ancora superata nel progettare network che soddisfino le loro attuali necessità e consentano una espansione facile e a costi contenuti in futuro. I sistemi EtherNet/IP richiedono solo un singolo punto di connessione sia per la configurazione e il controllo, perché i supporti EtherNet/IP supportano sia messaggi I/O impliciti, che in genere contengono dati di controllo critici nel tempo, sia quelli espliciti, che consentono di individuare sia l’informazione di protocollo sia le istruzioni per eseguire un servizio. E, come un network produttore-consumatore che supporta multiple gerarchie di comunicazione e prioritizzazione del messaggio, l’Ethernet/IP fornisce un uso più efficiente dell’ampiezza di banda di un dispositivo network basato su un modello fonte-destinazione.

Il Physical Layer

Esaminando gli strati che caratterizzano Ethernet/IP, il primo livello è quello fisico (Physical Layer). Per connettere questo layer a quello di collegamento dati (Data Link Layer), EtherNet/IP usa la tecnologia standard IEEE 802.3 che fornisce una specifica per i mezzi fisici, definendo un semplice formato di struttura per spostare pacchetti di dati tra dispositivi e fornire un insieme di ruoli per determinare come i dispositivi di rete debbano rispondere quando due dispositivi tentano di usare un canale dati simultaneamente. Ethernet/IP è in genere configurato usando una serie di segmenti di network costituiti di connessioni punto-a-punto in una configurazione a stella. Il centro di questa topologia network è una interconnessione di switch Ethernet Layer 2 e Layer 3 che possono accomodare un numero illimitato di nodi punto-a-punto. Molti produttori offrono patch di aggiornamento pre confezionate o personalizzate in base alle diverse esigenze. Generalmente, una struttura di switch, in cui ogni switch isola una macchina o una parte di una macchina, è connessa con un cablaggio ottico in fibra di 100 Mbps. Le altre porte dello switch possono essere connesse usando una coppia a spirale o fibra cablata ai dispositivi di controllo per quella parte della macchina o processo manifatturiero. A un livello più elevato, i network Ethernet/IP possono essere anche isolati, quindi non connessi direttamente al network dell’impresa, o non isolati: in questo caso il network è connesso o addirittura integrato nel network enterprise.

Il Data Link Layer

La specifica 802.3 IEEE è anche lo standard usato per trasmettere pacchetti di dati da dispositivo a dispositivo sull’EtherNet/IP Data Link Layer. Ethernet impiega un meccanismo d’accesso ai mezzi CSMA/CD (protocollo di accesso multiplo tramite rilevamento della portante con rilevamento delle collisioni) che determina come i dispositivi in rete condividano un bus comune (per esempio un cavo) e come essi rilevino e rispondano a collisioni di dati. Alle origini, l’Ethernet lavorava in modo half-duplex di operazione: questo significa che un nodo poteva inviare o ricevere dati, ma non fare entrambe le cose contemporaneamente. Questo ha causato ingorghi nel traffico dei dati, inaccettabili oggi in applicazioni in cui il fattore tempo è critico. Attualmente la tecnologia Ethernet si è evoluta e può essere usata in un numero sempre più elevato di applicazioni di manufacturing.

Il protocollo Media Access Control (MAC) della specifica IEEE 802.3 è quello che attualmente permette ai dispositivi di dialogare sul network Ethernet. Ogni dispositivo ha un unico indirizzo MAC che è regolato da IEEE e dal costruttore del prodotto.  Un singolo frame di Ethernet/IP industriale può contenere più di 1.500 bytes di dati, dipende dalla richiesta dell’applicazione. La combinazione del controllo in tempo reale con la capacità di immagazzinare grandi quantità di dati rende l’industrial Ethernet sempre più interessante, dal momento che è sempre più facile immagazzinare informazioni utili in dispositivi sempre più piccoli e meno costosi.

I Network Layer e i Transport Layer

A livello di questi strati, Ethernet/IP usa lo standard Internet conosciuto come Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP). TCP/IP fornisce funzionalità del protocollo di comunicazione indispensabili per implementare network pienamente funzionali (per esempio indirizzando schemi e meccanismi per stabilire una connessione con un dispositivo e scambiare dati). I messaggi standard usati da tutti i network CIP sono incapsulati. L’incapsulamento TCP/IP crea un nodo nel network per integrare un messaggio come una parte di dati in un messaggio Ethernet. Il nodo poi invia il messaggio – protocollo TCP/IP con il messaggio integrato – al chip di comunicazione Ethernet (il Data Link Layer). Usando TCP/IP, Ethernet/IP è in grado di inviare messaggi espliciti, che sono adoperati per eseguire transazioni di tipo client-server tra i nodi. Ethernet/IP supporta tre classi di disposivo basate su capacità di comunicazione di rete: Messaging Class, Adapter Class e Scanner Class. Ogni classe supporta un set di base di servizi di comunicazione, ma può fornire anche altri servizi opzionali.  I dispositivi Messaging Class supportano messaggistica esplicita (connessa o non connessa) che è inviata o ricevuta da tutte le altre classi di dispositivo. Questi dispositivi sono gli obiettivi di richieste di connessione di messaggio esplicito e possono anche essere originatori di questi requisiti, ma non possono inviare o ricevere dati I/O in tempo reale. I prodotti Adapter Class sono i target della connessione dati in tempo reale richiesta da prodotti Scanner Class. Non possono inviare o ricevere dati I/O in tempo reale a meno che a essi sia richiesto di farlo tramite uno scanner e non immagazzinino o originino i parametri di comunicazione dei dati necessari a stabilire una connessione. I prodotti Adapter Class ricevono richieste di messaggio esplicite da tutte le altre classi di prodotti. Possono anche scambiare i dati usando messaggi espliciti con ogni classe di dispositivo, ma non possono dare origine a tali relazioni. I prodotti Scanner Class sono gli originatori di connessioni di dati I/O richiesti ai prodotti Adapter Class, così come agli altri prodotti Scanner Class. Questi prodotti possono anche essere gli originatori o obiettivi di richieste di connessione esplicita a e da altre classi di prodotti, ed essi possono anche inviare o ricevere messaggi espliciti a o da altre classi di prodotti.

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