Nuove applicazioni in ambito Industria 4.0 come l’IIoT sono alla base della spinta verso nuovi standard per la connettività cablata nell’automazione e nelle fabbriche intelligenti. L’introduzione della tecnologia IoT nell’ambiente industriale prevede nodi di sensori che, sebbene non richiedano potenze o larghezze di banda elevate, siano in grado di comunicare in maniera efficace e affidabile quasi in tempo reale o, almeno, entro intervalli di tempo accettabili e garantiti. In questo scenario, sta crescendo l’interesse per la tecnologia Single-Pair Ethernet, che potrebbe rappresentare uno standard per le reti dati.
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Come funziona la tecnologia Single-Pair Ethernet
Agli albori di Ethernet si utilizzavano cavi coassiali, ma, a partire dal 1984, si passò a cavi a coppie ritorte che portarono all’introduzione di 10BASE-T e, nei decenni a seguire, di 100BASE-T, 1000BASE-T, 10GBASE-T, 25GBASE-T e 40GBASE-T. Non solo: tre anni fa, attraverso lo standard IEEE Std 802.3cg-2019, sono state ratificate due ulteriori varianti di Ethernet per trasmissioni a 10 Mb/s su singola coppia ritorta, note come 10BASE-T1S e 10BASE-T1L. La prima è ideale per l’industria automobilistica e per altre applicazioni a breve distanza in cui è presente un notevole rumore elettrico, mentre la seconda supporta connessioni su distanze fino a 1.000 metri. Così è nata la nuova tecnologia Ethernet a singola coppia, denominata, appunto, Single-Pair Ethernet o SPE.
SPE significa cavi con una singola coppia di conduttori di rame in grado di trasmettere dati a velocità fino a 1 gigabit al secondo su brevi distanze, fornendo contemporaneamente un’alimentazione elettrica di tipo Power over Data Line (PoDL). Infatti, supporta fino a 52 watt di potenza CC e si presta a un’ampia gamma di dispositivi e sistemi in ambito sia industriale che civile.
Il tradizionale Gigabit Ethernet utilizza cavi Cat. 5e a quattro coppie ritorte e funziona con frequenze fino a 100 megahertz. Ogni coppia può inviare e ricevere dati, consentendo velocità di trasmissione fino, appunto, a 1 gigabit al secondo. SPE, invece, consente di ottenere la medesima velocità di trasmissione utilizzando una sola coppia di conduttori grazie all’impiego di uno spettro di frequenze decisamente più ampio, cioè fino a 600 megahertz, all’interno del quale alcune sono utilizzate per l’invio e altre per la ricezione di dati.
I vantaggi della Single-Pair Ethernet
Si tratta di una tecnologia progettata per soddisfare le esigenze dei produttori industriali incaricati di collegare dispositivi a bassa velocità, come sensori, attuatori e relè, insieme al controllo degli accessi e alle applicazioni di illuminazione, la quale si candida al ruolo di soluzione infrastrutturale per le future applicazioni di comunicazione industriale. Un primo, grande vantaggio a essa associato è la comunicazione basata su IP senza interruzioni dal sensore al Cloud, passando dall’Edge. Ciò rende i dati disponibili lungo l’intera catena del processo di produzione, cosa che può creare un enorme valore aggiunto per il servizio, l’ottimizzazione dei processi e la logistica in un contesto di fabbrica intelligente.
L’esempio dell’industria automobilistica
L’industria automobilistica, per esempio, ha adottato Ethernet per sostituire i tradizionali sistemi bus CAN (Controller Area Network) e ottenere velocità di trasmissione dei dati più elevate utili ai sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e a quelli di infotainment. Anche le linee di produzione sono costituite da moduli macchina intelligenti che comunicano tra loro. Finora, gli ingegneri dell’automazione hanno affrontato il problema della moltitudine di reti di comunicazione adottate da diversi produttori come PROFIBUS, CAN, ASI o DeviceNet (solo per citarne alcune). Con SPE è possibile creare una rete basata su IP uniforme e completamente trasparente senza gateway. Questo non solo facilita l’acquisizione dei dati e la visualizzazione del processo, ma consente anche una completa libertà di configurazione e di adattamento di una linea di produzione – “plug and produce”.
Inoltre, i cavi e i connettori SPE presentano dimensioni decisamente ridotte rispetto a quelle degli analoghi prodotti tradizionali, aspetto che conduce a un ulteriore vantaggio significativo in applicazioni con vincoli di spazio o in quelle con numerosi dispositivi a livello di campo. Il raggio di curvatura inferiore di un cavo più sottile, inoltre, rende più facili e flessibili l’installazione, l’instradamento e la gestione nel tempo.
Le varianti e le prestazioni
Il gruppo di lavoro IEEE 802.3cg sta spingendo per portare a compimento le varianti SPE per applicazioni industriali citate inizialmente: 10BASE-T1S (“short reach”), con una portata di 15 metri, e 10BASE-T1L (“long reach”), per trasmissioni fino a 1.000 metri, quest’ultima implementabile grazie a una frequenza d’esercizio e, quindi, a un’attenuazione sensibilmente inferiore.
Tuttavia, le combinazioni di velocità e distanza offerte da questo nuovo concetto infrastrutturale sono ben più di due, come rappresentato dalla tabella seguente. Alcune non sono applicabili alla tecnologia attualmente disponibile, ma danno chiare indicazioni sulle ulteriori applicazioni che potranno trovare spazio negli anni a venire.
Fonte: Whitepaper SPE for Field Communication – Single-Pair Ethernet System Alliance
Naturalmente, come per ogni nuova tecnologia, sarà necessario sviluppare un nuovo e completo sistema di schede, adattatori di alimentazione, cavi, connettori e quant’altro serva per la sua efficace implementazione sul campo, cosa a cui diversi produttori stanno già lavorando da tempo e con buoni risultati.
Conclusioni
Single-Pair Ethernet è sulla buona strada per diventare, in ambito industriale, l’architettura di rete standard capace di garantire connessioni robuste e affidabili. Inoltre, ha tutte le carte in regola per divenire la soluzione ideale per le applicazioni IIoT, poiché molti dispositivi in campo richiedono comunicazioni immediate con i controlli di livello superiore e il cloud.
Riuscirà anche a rimpiazzare le infrastrutture RJ45 ancora presenti negli impianti di produzione? Probabilmente no, dato che SPE andrà a occupare principalmente i livelli inferiori dell’ecosistema di automazione, dove l’installazione rapida e la facilità d’uso sono i requisiti principali. Inoltre, RJ45 è ancora vantaggioso per i livelli più alti dei sistemi di esecuzione della produzione e delle apparecchiature consolidate che non hanno ancora raggiunto lo stato di fine vita.
