La rete Ethernet sta diventando sempre più importante nelle applicazioni industriali. Il Controllo Motori, l’Ethernet, il Fieldbus e altre tecnologie come il PCI (Peripheral Component Interconnect) si sono sempre contese il diritto di gestire alcuni dei più considerevoli carichi di lavoro nei sistemi di automazione e controllo industriali.
Le applicazioni di motion control richiedono il determinismo per garantire che la rete riceva i carichi di lavoro nei nodi e nei tempi previsti, ed è inoltre necessario per assicurare il mantenimento della posizione che, a sua volta,determina la precisione e la corretta accelerazione/decelerazione degli azionamenti, trale altre attività.
Lo standard IEEE 802.3
Lo standard IEEE 802.3 Ethernet non è mai stato all’altezza in questo senso. È carente in quanto a prevedibilità, nonostante il livello di collegamento dati CSMA/CD sia diventato obsoleto, rimpiazzato dalla commutazione full-duplex e dai domini di collisione isolati. Inoltre la complessità del TCP/IP più in alto nel tipico stack non è ottimizzata per la trasmissione di traffico in tempo reale. Quindi i fieldbus e le architetture di controllo ‘PC-oriented’ con schede PCI basate su ASIC sono state le soluzioni adatte per il motion control.
Le soluzioni Ethernet, da EtherNet/IP a EtherCAT, hanno affrontato queste carenze a modo loro. Eppure l’Ethernet industriale è ben lontano dall’essere influente nel settore del motion control, nonostante i vantaggi che offre rispetto alle soluzioni alternative. Di seguito l’analisi dei tre motivi per cui nei prossimi anni esso potrà e dovrà imporsi sui suoi concorrenti.
Convergenza invece di complessità
L’interconnessione tra IT aziendale e fabbrica è aumentata negli anni, creando sistemi complicati che spesso combinano Ethernet standard e industriale con i fieldbus. Ad esempio, le macchine potrebbero utilizzare:
- SERCOS per la comunicazione con i servo
- PROFIBUS per il networkingdei variatori di frequenza
- SafetyBUS per la comunicazione fieldbus a prova di guasto
- DeviceNet per la connessione ai sensori
- Ethernet, con accesso tramite gateway, per la trasmissione di dati agli utenti finali
Reti di questo tipo sono complesse e molto costose da predisporre e mantenere. Ogni protocollo ha le sue procedure di installazione e richiede appositi installatori e corsi di formazione. L’Ethernet, invece, offre la possibilità di far convergere le diverse reti per movimento, sicurezza, ecc. su un’infrastruttura economica, relativamente facile da cablare, largamente supportata dai fornitori e a prova di futuro. L’Ethernet offre la possibilità di far convergere reti diverse tra loro.
Il protocollo EtherNet/IP semplifica l’attuazione di questa convergenza. Un sistema commutato integrato può contenere applicazioni sia aziendali che industriali grazie all’uso di tecnologie Ethernet standard (es. TCP/IP e UDP/IP), oltre a funzioni quali CIP Sync per l’implementazione del PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588 per la sincronizzazione di clock distribuiti.
Determinismo per applicazioni di motion control
Il motion control dipende da comunicazioni precise temporalmente. Tale precisione è supportata dall’uso della programmazione basata su time slot, per cui ogni dispositivo comunica con gli altri dispositivi a intervalli precisi. Al momento che il Servo Drive e il Controller determinano le rispettive tempistiche viene calcolato un valore delta-T per la funzione di controllo. Può tuttavia essere perduto se la trasmissione dei dati diventa imprevedibile; da qui la necessità del determinismo per garantire la stabilità del loop.
Ethernet può supportare complesse applicazioni di motion control in fabbrica
L’implementazione del protocollo IEEE 1588 in EtherNet/IP, in alcuni casi tramite circuiti acceleratori installati direttamente sui chip Intel, è solo uno dei meccanismi utilizzati dalle soluzioni Ethernet per attuare il determinismo. L’elaborazione in tempo reale di EtherCAT è un altro esempio di come sia possibile raggiungere prestazioni sempre prevedibili per applicazioni di motion control. EtherCAT va oltre i rigorosi limiti fisici delle comunicazioni basate su PCI centralizzate che, sebbene veloci, richiedono comunque distanze brevi tra l’unità di elaborazione della macchina e i servo processori.
Fattibilità a lungo termine per l’IIoT
La rete Ethernet ha subito molti cambiamenti dalle sue origini di tecnologia LAN. Mentre i componenti per fieldbus esistenti vengono prodotti su piccola scala e la PCI sta rischiando di intraprendere il destino dell’obsoleta ISA (Industry Standard Architecture), il protocollo Ethernet continua ad evolversi ed è perfettamente in grado di servire l’Internet of Things industriale ‘IP-centric’.
I progressi futuri, tra cui il Time Sensitive Networking che perfezionerà l’IEEE 1588 e rafforzerà la convergenza tra reti, rendono Ethernet la scelta migliore per il motion control, ora e in futuro. Questo non significa che fieldbus e PCI scompariranno, bensì che il passaggio all’IIoT da parte del settore dell’automazione comporterà un costante aumento dei vantaggi offerti dall’Ethernet.
