Non c'è dubbio che Ethernet e il protocollo TCP/IP siano tra i sistemi di automazione industriale più diffusi e popolari. La tecnologia ha fatto passi da gigante ed importanti innovazioni quali Fast Ethernet, switching e comunicazioni full-duplex hanno trasformato il buon vecchio Ethernet in un sistema di comunicazione potente, che in poco tempo ha calamitato l'attenzione di utenti e produttori di sistemi industriali. Tuttavia, sembra altamente improbabile che il sogno di avere un unico protocollo applicativo standard per l'automazione industriale possa divenire realtà. Nel caso delle reti Ethernet industriali, infatti, si è riproposta la stessa domanda che si era presentata con l'introduzione della tecnologia fieldbus: "Ci sarà un unico standard?". La risposta sembra essere un NO senza appello, come confermano i 14 diversi protocolli di rete Ethernet industriale attualmente disponibili sul mercato.

Cosa offre Ethernet?
Integrazione con l'ambiente Office, funzionalità IT, Internet/Intranet, configurazione remota – in altri termini un protocollo TCP/IP su rete Ethernet con protocolli applicativi come SNMP, FTP, MIME, HTTP. Comunicazioni su router e server con indirizzi IP e trasferimento TCP obbligatori.

Una maggiore larghezza di banda e pacchetti di dati più estesi per la comunicazione con dispositivi industriali sempre più avanzati.

Comunicazione in tempo reale più veloce con sincronizzazione sufficiente a supportare anche applicazioni di controllo del movimento molto complesse.

Connessione e supporto di un maggior numero di dispositivi su aree più estese.

Networking omogeneo, prevalentemente su reti Ethernet.

Sistemi MES (Manufacturing Execution Systems), aggiornamento online di firmware, configurazione remota e gestione degli errori.

Funzionalità comuni
Benché gli approcci al Layer 7 siano stati differenti, il concetto di fondo ha lo stesso principio. Le funzionalità comuni includono gli standard definiti per i Layer 1-4, la tecnologia di trasmissione dati Ethernet IEEE 802.xx (Layer 1), il metodo di accesso bus (CSMA/CD, Layer 2), il protocollo IP (Layer 3) ed i protocolli TCP e UDP (Layer 4). Altri elementi in comune del Layer 7 sono le funzioni non critiche a livello di tempo. Lo standard IT universalmente accettato in questo ambito include protocolli quali HTTP (Hypertext Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol) e SNMP (Simple Network Management).

Differenze
Le differenze tra gli approcci attualmente adottati risiedono nell'architettura complessiva dei sistemi di comunicazione, nei protocolli delle applicazioni industriali del Layer 7, nella modellazione degli oggetti e nel modello di progettazione per la configurazione del sistema. I diversi concetti possono essere suddivisi in sistemi di incapsulamento come EtherNet/IP, Foundation Fieldbus HSE o strumenti di automazione distribuita di Modbus-TCP come Profinet.

Tecnologie di incapsulamento
Il termine "incapsulamento" fa riferimento al packaging (o integrazione) di un frame di telegramma in un pacchetto TCP o UDP. Tipici esempi di questo approccio sono lo standard di comunicazione industriale EtherNet/IP, sviluppato da Rockwell Automation e ODVA, la tecnologia HSE (High Speed Ethernet) di Fieldbus Foundation e Modbus-TCP/IP. Grazie a tutti questi concetti, è possibile integrare un telegramma fieldbus pressoché invariato sotto forma di "dati utente" all'interno di un pacchetto TCP/UDP, prima di inviarlo sulla rete Ethernet. Il principale vantaggio offerto da questo metodo è rappresentato dalla possibilità di sfruttare le potenti funzionalità di comunicazione e la scalabilità di Ethernet combinandoli con la soluzione fieldbus già esistente, senza necessità di cambiare la filosofia di comunicazione generale o di utilizzare strumenti di progettazione. Il completamento delle specifiche, inoltre, non ha richiesto lunghe procedure di sviluppo. Questi vantaggi hanno già consentito di distribuire sul mercato i primi prodotti per l'integrazione in applicazioni industriali. Non solo: è facile garantire la compatibilità verso il basso dei protocolli fieldbus sui quali si basa ciascun sistema. In sostanza, Ethernet è considerata in genere una nuova tecnologia di trasmissione dei dati, che può essere utilizzata in alternativa (o in combinazione) con i più diffusi Fieldbus tradizionali come DeviceNet, ControlNet, Modbus o Foundation Fieldbus H1.

Sistemi di automazione distribuita
La seconda categoria di reti, basate sul protocollo Ethernet industriale, è progettata per soddisfare i requisiti di comunicazione di sistemi di automazione di nuova concezione con intelligenza distribuita. In questo approccio, l'intera applicazione è distribuita su diversi dispositivi decentrati di controllo, connessi tramite una rete Ethernet industriale. Profinet esegue solo le funzioni di controllo non critiche dal punto di vista del tempo ed include un sistema gateway di interconnessione con la tecnologia Profibus esistente per le comunicazioni critiche in tempo reale.

Tempo reale e funzioni IT
La comunicazione Ethernet con il protocollo TCP/IP è di tipo non deterministico ed il tempo di reazione supera spesso i 100 ms. La reazione alle richieste I/O remote avviene in circa 5-10 ms. Nel caso delle applicazioni di controllo del movimento il determinismo richiesto – ossia la "puntualità" della comunicazione – è addirittura maggiore, con tempi di ciclo calcolati in microsecondi. La dicotomia tra l'intenso traffico IT sul protocollo TCP/IP e la necessità di una comunicazione in tempo reale può essere gestita in vari modi.

Protocollo applicativo o fieldbus embedded su TCP/IP
L'utilizzo di un TCP/IP con protocollo fieldbus embedded a livello dell'applicazione contribuisce a mantenere un sistema IT completamente aperto eseguendo semplicemente il tunneling del protocollo fieldbus su Ethernet. Come avviene per le reti Ethernet standard, il tempo di reazione è di circa 100 ms. Nei segmenti locali con un numero limitato di dispositivi e piccoli pacchetti di dati, il tempo di reazione scende a 20 ms. Utilizzando il protocollo UDP anziché il protocollo TCP, il tempo di reazione si riduce ancora, arrivando a 10 ms. L'indirizzamento MAC diretto in un segmento locale, infine, può consentire tempi di risposta vicini a 1 ms. La sincronizzazione dei tempi può essere ottenuta applicando lo standard internazionale IEC61588. La larghezza di banda per il traffico TCP/IP è intorno al 90-100%.

Segmento Ethernet chiuso e Layer DLL specifico per dispositivi in tempo reale
Il protocollo speciale nel Layer 2 del modello OSI garantisce la comunicazione in tempo reale di ciascun dispositivo nel segmento "real-time". Per un ciclo rapido in tempo reale di 0,2 ms, questo segmento viene chiuso al traffico IT. Il ciclo in tempo reale si divide in slot, uno dei quali è aperto al normale traffico TCP/IP. Con un tempo di ciclo di 0,2 ms e 8 dispositivi nel segmento, il tempo degli slot è di circa 22µs, il che permette solo la trasmissione di piccoli messaggi TCP/IP (fino a 200 byte). La larghezza di banda disponibile per TCP/IP è intorno all'1%.

Protocollo applicativo su TCP/IP, indirizzamento MAC diretto con priorità ai messaggi per comunicazioni in tempo reale e switching hardware in "realtime rapido"
La messaggistica TCP/IP standard in parallelo con il traffico IT è utilizzata per tutte le comunicazioni che non richiedono gestione in tempo reale. Un canale parallelo [virtuale] viene creato in base alla priorità più alta e all'indirizzamento MAC diretto sui pacchetti, in modo da consentire operazioni in tempo reale di 1 ms. Un terzo canale è riservato alle comunicazioni "realtime" rapide di soli 0,2 ms e utilizza uno switch integrato nei dispositivi che richiedono gestione in tempo reale. Su tali switch una parte del ciclo è riservata al traffico in tempo reale, ma la maggior parte rimane aperta al traffico IT TCP/IP standard. La larghezza di banda per TCP/IP è intorno al 50-100%.

Priorità ai messaggi e sincronizzazione dei tempi per comunicazioni TCP/IP in tempo reale
Soluzioni progettate per il controllo del movimento in parallelo con il traffico IT standard sul protocollo TCP/IP. La comunicazione in tempo reale è il risultato dell'assegnazione di priorità ai messaggi tramite un indicatore di data/ora rilevato dai dispositivi sincronizzati. La latenza temporale degli switch (fino a poche centinaia di microsecondi) è compensata tra un dispositivo e l'altro. Il tempo reale è di circa 1 ms con un ritardo variabile (jitter) di 10µs. La larghezza di banda per TCP/IP è intorno al 90-100%.

Componente fisica Ethernet con elettronica integrata e protocollo OSI speciale di livello 2 e successivi per comunicazioni in tempo reale
Messaggi speciali in transito sulla componente fisica Ethernet in un anello o su cavi doppi. La comunicazione in tempo reale è possibile grazie all'elettronica integrata (tecnologia ASIC) combinata con il protocollo e l'indirizzamento speciale. Il protocollo TCP/IP con messaggi brevi può essere integrato in un messaggio di protocollo speciale e quindi decompresso in un master per l'inoltro su una rete Ethernet standard. La connessione dei normali dispositivi Ethernet utilizza gateway hardware. La larghezza di banda per TCP/IP è circa l'1%.

Conclusioni dal punto di vista dei produttori di dispositivi
I produttori di dispositivi che aspirano a conquistare i mercati internazionali dovranno implementare nelle loro apparecchiature tutti i diversi approcci di sistema descritti. Anche se i Layer 1-4 condividono funzioni comuni, i protocolli applicativi ed i modelli di sistema sono totalmente differenti. L'adozione di standard diversi da un dispositivo all'altro richiederà un enorme impiego di risorse di sviluppo.

Le domande sono le stesse di 10 anni fa, quando furono rilasciati i primi Fieldbus. Il protocollo Ethernet standard adatto a tutto è ancora un sogno e con ogni probabilità il prodotto del cliente avrà bisogno del supporto di almeno un protocollo Ethernet industriale. Ma qual è il protocollo giusto da sviluppare? Una domanda la cui risposta è legata non solo allo sviluppo di una soluzione dalle prestazioni elevate, ma che solleva anche una questione "demografica". Qual è il mercato di destinazione dei prodotti del cliente? Modbus-TCP è attualmente il protocollo con il maggior numero di nodi installati su scala mondiale, nonché uno dei primi protocolli Ethernet rilasciati sul mercato. Negli Stati Uniti EtherNet/IP è già piuttosto diffuso e largamente supportato da Rockwell Automation, tanto che si appresta a raggiungere Modbus-TCP. In Europa, invece, non si può prescindere da Profinet: rilasciato recentemente con il supporto di Siemens, sarà probabilmente questo il protocollo Ethernet più importante per il prodotto del cliente. E in Asia? Quali sono i protocolli Ethernet più diffusi in questa area emergente? Una nuova domanda che si somma alle altre.... La certezza è una sola: non esiste una risposta univoca alla domanda su quale protocollo Ethernet convenga adottare.

Conclusioni dal punto di vista dell'utente finale
Nel confronto con i sistemi fieldbus tradizionali, gli utenti hanno buone ragioni per essere ottimisti sul futuro delle reti Ethernet industriali. Il fatto che tutte le future reti industriali basate su protocolli Ethernet utilizzeranno la stessa tecnologia di trasmissione rappresenta già di per sé un vantaggio considerevole rispetto alla proliferazione di tecnologie di trasmissione tipica dei Fieldbus. Sul layer fisico Ethernet univoco risiederanno diversi protocolli applicativi di rete Ethernet industriale non interoperabili.

Oggi come oggi si può affermare che la rete Ethernet industriale non sostituirà i tradizionali Fieldbus, ma aprirà invece la strada a nuove applicazioni, supportando la migrazione verso l'intelligenza distribuita nel settore dell'automazione.

Fare clic qui per ulteriori informazioni sulle soluzioni Anybus per Ethernet industriale