Come gestire l’interoperabilità nell’ambiente industriale

Architetture industriali tipiche

L'architettura tipica di un sistema di automazione industriale di grandi dimensioni è costituita da tre livelli: un livello di sensori e dispositivi semplici (ad esempio, avviatori motore o relè di protezione elettronici), un livello di controllo con PLC, pannelli operatore o azionamenti motore intelligenti e un livello di sistemi informativi.

Ogni livello ha requisiti diversi per quanto riguarda il volume di dati scambiati, la velocità e il determinismo. L'approccio precedente affrontava questi vari requisiti con reti specializzate, soprattutto nel caso dei due livelli inferiori.

Inoltre, ogni fornitore di tecnologia più grande raccomandava un metodo di integrazione, secondo la propria preferenza. Di conseguenza, nelle applicazioni industriali esistenti possiamo incontrare molte reti e protocolli dati diversi. L'interoperabilità e la scalabilità dei sistemi progettati e implementati in questo modo sono, e saranno per molto tempo, un incubo per tutti gli integratori di sistemi e i proprietari di queste soluzioni.

La situazione era insostenibile anche prima dell'avvento di Industry 4.0 e Industrial Internet of Things. Come affrontare questo problema?

Idealmente, volevamo avere una soluzione simile a quella che esiste da anni per i sistemi informativi e per ufficio: Ethernet. Ethernet stesso è stato considerato uno standard (in realtà, una famiglia di standard, come specificato di seguito), che non è adatto all'ambiente industriale a causa delle sue caratteristiche (non deterministico per definizione, non supporta la messaggistica in tempo reale, abbastanza costoso, ecc.) per molto tempo.

Tuttavia, fattori come l'introduzione di nuove tecnologie (in particolare, switch intelligenti), i cambiamenti nella topologia di rete (da topologie ad albero a topologie a stella), una comunicazione full-duplex, velocità di trasmissione più elevate e la riduzione complessiva del prezzo della tecnologia Ethernet nel tempo hanno reso Ethernet una soluzione interessante da utilizzare anche per la comunicazione nei due livelli inferiori di un sistema di automazione industriale.

Ethernet, Ethernet non modificata, EtherNet/IP e interoperabilità in ambiente industriale

Prima di parlare dell'uso di Ethernet nelle applicazioni industriali, è necessario spiegare cos'è Ethernet.

In senso stretto, Ethernet è definita dallo standard IEEE 802.3 e rappresenta un'implementazione di due livelli inferiori (livelli fisico e di collegamento dati) del modello OSI (Open Systems Interconnection). In ambito industriale, come mezzo fisico vengono utilizzati principalmente collegamenti in fibra ottica o doppino intrecciato in rame.

Ethernet, nel senso più ampio del termine, è spesso intesa come tecnologia che consente la connessione a Internet, inclusi tutti i protocolli dei livelli di rete e di trasporto, in particolare i protocolli IP, TCP e UDP. 

Le ragioni per cui Ethernet è stata sempre più considerata nell'ambiente industriale sono già state indicate sopra. Tuttavia, i principali svantaggi di Ethernet per l'uso nel sistema di automazione industriale, ovvero la mancanza di supporto per la trasmissione dei dati in tempo reale e il non determinismo, non sono stati completamente risolti.

Tre soluzioni

Per soddisfare queste esigenze delle applicazioni industriali, sono state cercate delle soluzioni. Oggi, in generale, ne abbiamo tre. A causa dello spazio limitato, non possiamo entrare nei dettagli, ma possiamo iniziare dicendo che solo una soluzione, definita "Ethernet non modificata" in letteratura, viene utilizzata senza alcuna modifica dello standard Ethernet e dei protocolli TCP/IP e UDP di livello superiore.

Le altre due soluzioni richiedono modifiche ed estensioni dei protocolli standard o addirittura dell'hardware.

Solo gli standard per lo scambio di dati in ambiente industriale, basati su Ethernet non modificata, non richiedono alcuna modifica dell'infrastruttura (cioè switch, router speciali, ecc.), possono coesistere semplicemente con altri protocolli esistenti e, soprattutto, in termini di Industrial Internet of Things, consentono un'integrazione e un'interoperabilità ottimali.

Uno dei pochi standard basati completamente sui principi di Ethernet non modificata è EtherNet/IPTM. EtherNet/IPTM è uno standard aperto gestito da ODVA.

Siamo membri fondatori di questa associazione e abbiamo beneficiato di EtherNet/IPTM a lungo termine. Questa tecnologia è anche un elemento fondamentale della nostra soluzione per la digitalizzazione completa dell'automazione industriale chiamata The Connected Enterprise®, che, anche grazie ai vantaggi di EtherNet/IPTM, è una soluzione Industrial Internet of Things ideale.