Da tanto tempo si è in attesa che venga progettato e standardizzato un livello fisico su base Ethernet che possa essere adatto alle esigenze dell’automazione dei processi continui.

Fino ad oggi le soluzioni su base Ethernet non erano adatte per impieghi in zona classificate per pericolo di esplosione (ATEX) o per installazioni che prevedessero segmenti più lunghi di 100 m, se non ricorrendo ad installazioni basate su fibra ottica.

Sicuramente il vantaggio di impiegare mezzi di comunicazione a base Ethernet renderebbe più semplice l’integrazione e l’interconnessione orizzontale e verticale nell’ambito del sistema, oltre a rendere più semplice il processo di scambio dati tra i diversi sottosistemi del processo o più in generale tra applicazioni diverse.

Finora l’impiego in zone classificate è stato l’unico limite per il reale sviluppo di applicazioni Ethernet-based in ambito processo.

Per questo motivo la nuova soluzione APL (Advanced Physical Layer) per Ethernet è stata sviluppata e standardizzata dalle principali organizzazioni del mondo automazione, quali OPC UA, ODVA, FieldComm e Profibus e Profinet International. Il progetto è iniziato nel 2018 ed al momento ha visto la pubblicazione dello standard di riferimento.

La nuova soluzione prevede di impiegare APL come nuovo livello fisico per Ethernet garantendo quindi di avere maggiori lunghezze di cavo e protezione contro le esplosioni usando il metodo a sicurezza intrinseca avendo due cavi su cui abbiamo potenza e segnale.

Advanced Physical Layer (APL)

Ethernet è uno standard ampiamente accettato per le comunicazioni digitali cablate ed è standardizzato in IEEE 802.3. Questa sua diffusione anche in ambito industriale ha fatto sì che siano stati creati e sviluppati strumenti standardizzati per l’installazione, il troubleshooting e la diagnostica.

Tutto questo ha portato nel tempo ai seguenti miglioramenti ed efficienze nella gestione delle reti a base Ethernet:

• Facilità nell’installazione delle reti
• Impiego degli stessi strumenti per il troubleshooting per le reti di automazione (OT) e per le reti office (IT)
• Facilità nella configurazione delle reti.

A questo, però, deve essere aggiunto che è necessario migliorare il supporto fisico Ethernet per consentirne l’impiego anche in ambito processo, dove per la parte di comunicazione vi sono regole e requisiti piuttosto stringenti, quali:

• Cavi a due fili
• Segnale e potenza sugli stessi cavi
• Soluzioni che possano essere impiegate in luoghi con pericolo di esplosione inclusa la sicurezza intrinseca
• Possibilità di coprire lunghe distanze con il medesimo cavo

Per questo è nato il nuovo livello fisico APL che prende il nome Standard di 10BASE-T1L (come definito in IEEE Std 802.3cg-2019), e che ha come caratteristiche quelle di avere una velocità di 10Mbit/s, una lunghezza per ciascun segmento fino a 1000m ed essere full duplex.

Figura 1: Caratteristiche dei 10BASE-T1L confrontate alle altre famiglie di Ethernet

La comunicazione 10BASE-T1L risulta essere una comunicazione peer-to-peer e questo porta con sé il vantaggio di avere comunicazioni “isolate” dal punto di vista elettrico tra un segmento e l’altro, che rappresenta il tratto di cavo che mette in collegamento due dispositivi. In questo modo è possibile aumentare la robustezza della rete ai disturbi, come quelli derivanti dal cross-talk tipici dei bus a base seriale, attualmente impiegati per le applicazioni di processo.

Le tre principali caratteristiche di APL possono essere così riassunte:

• 2 WISE come tipologia di cavi, che significa 2-Wire intrinsically safe ethernet; permette di definire la protezione per le zone pericolose senza bisogno di fare calcoli
• Marcatura delle caratteristiche del prodotto: indicazione del livello di potenza e delle funzioni in termini di generatore o di carico sulla rete, così di avere interoperabilità
• Definizione di connettori standard e tipologie di collegamento, così da semplificare la fase di installazione

Topologia di una rete APL

Una rete su base APL può avere diverse topologie, tra cui anche la possibilità di gestire la ridondanza ed altre topologie che garantiscano la continuità di produzione.

In una rete APL esistono due tipologie di segmenti:

• Trunk è il segmento che garantisce i livelli di potenza più elevati e può raggiungere lunghezze fino a 1000 m
• Spur è il segmento a minore potenza e che è adatto ad essere impiegato nelle zone classificate ATEX e può avere una lunghezza massima di 200m.

Proprio per la caratteristica di essere un mezzo di comunicazione peer-to-peer, per poter funzionare APL ha necessità di usare dei componenti infrastrutturali di rete che sono gli APL switch, a loro volta classificati come power switch o field switch.

Figura 2: Impiego degli APL switch

Il Power switch, solitamente, alimenta il trunk principale ed è il responsabile per l’alimentazione di uno o più spur in cui è suddivisa la rete; questo elemento viene alimentato, solitamente, dall’esterno.

I field switch, invece, sono alimentati sempre per mezzo del Power switch da cui derivano. Aloro volta, dal field switch vengono originati gli spurs per l’alimentazione e la comunicazione dei dispositivi di campo. Solamente gli spurs che sono orginati dai field switch possono essere inseriti all’interno delle zone ATEX e a seconda della classificazione viene ridotta la lunghezza massima dello spur.

Come definire i protocolli su base APL

A parte le peculiarità del livello fisico (due fili, necessità di avere power switch e field switch, sicurezza intrinseca), la applicazioni su base APL possono essere esattamente quelle su base Ethernet e più ancora in generale i protocolli di comunicazione possono essere qualunque, come mostrato nella figura seguente.

Figura 3: Il modello ISO/Osi per applicazioni APL-based

Si tratterà, quindi, di avere un nuovo mezzo fisico che consente di costruire su di esso l’intera pila a partire dal livello 2 con applicazioni Ethernet standard, Ethernet RT o Ethernet TSN.

Trattandosi di un mezzo fisico sono definite le tipologie di connettori (standard, M12 o direttamente a morsetti sul dispositivo) oltre che una classificazione delle possibili porte installate sui dispositivi, che possono essere:

• P = Powered, power source
• L = Load, power drain
• C = Cascade, per configurazioni daisy chain
• U = Unpowered

La scelta di classificare le porte dei dispositivi che partecipano alla rete consente di poter garantire interoperabilità oltre che poter procedere alla definizione delle possibili architetture e topologie, andando ad ottimizzare la tipologia del carico rappresentato dai dispositivi.

Altra caratteristica già citata dell’APL è l’impiego di una comunicazione basata sugli switch, che consente di conoscere la topologia di rete e conoscere gli elementi che sono collegati ad una specifica porta, oltre alla possibilità di indirizzare il traffico verso la destinazione a cui è stato inviato. Il principio di funzionamento degli switch consente, quindi, anche di avere più comunicazione simultaneamente, in quanto il traffico ed il suo indirizzamento vengono gestiti proprio dagli switch stessi.

Questo modo di funzionamento di gestione di comunicazioni multiple consente di gestire sulla stessa rete e con la stessa infrastruttura comunicazioni diverse, real time e non real time, senza che quest’ultima vada ad impattare sulle performance della prima.

Inoltre, è possibile usare la stessa infrastruttura di rete per poter collegare computer e/o altri sistemi per configurare e parametrizzare gli strumenti in campo e ottenere dati in modo aciclico per scopi di asset management o di diagnostica preventiva/predittiva.

Oltre a poter avere diagnostica semplice per i dispositivi in campo, è anche possibile avere in modo semplice e con strumenti standard anche la diagnostica della rete, cosa che consente di ottimizzare il suo funzionamento e monitorare le sue prestazioni.

La big picture dell’Ethernet nell’industria di processo

Grazie alla definizione ed alla standardizzazione nella IEEE di un nuovo livello fisico che possa poi supportare i livelli tipici dell’ethernet e della suite TCP/IP, si è ormai arrivati alla possibilità di impiegare Ethernet e protocolli di comunicazione Ethernet-based anche nelle applicazioni di processo garantendo, però, le funzionalità peculiari che questo tipo di industria richiede.

Riassumendo quelle che sono le caratteristiche di Ethernet APL abbiamo:

• Comunicazione a due fili: con potenza e segnale sullo stesso mezzo trasmissivo
• Possibilità di supportare funzioni a sicurezza intrinseca per applicazioni anche in aree classificate per pericolo di esplosione
• Possibilità di coprire lunghe distanze, fino ad un massimo di 1000 m
• Garantire la interoperabilità tra i dispositivi di campo

Oltre a quelle che sono le caratteristiche peculiari richieste dall’industria di processo, APL porta con sé i vantaggi della comunicazione a base Ethernet:

• Comunicazione peer-to-peer che richiede l’impiego di switch per estendere la rete di comunicazione ma che consentono di rendere la rete stessa più robusta rispetto ai disturbi
• Possibilità di gestire più comunicazioni contemporaneamente: comunicazioni real-time e non
• Gestione automatica dell’architettura di rete
• Diagnostica di rete integrata grazie all’impiego di switch
• Compatibilità con tutti i protocolli a base Ethernet, facilitando, quindi, l’interconnessione e l’integrazione tra applicativi diversi
• Compatibilità con tutti gli strumenti di analisi e diagnostica già in uso per le tecnologie a base Ethernet