Perché Ethernet industriale è la scelta definitiva per la rete di automazione PLC
Sommario
Questo articolo offre un'analisi approfondita dei 3 principali approcci di rete PLC: la tradizionale comunicazione seriale generica, i fieldbus proprietari chiusi e l'Ethernet industriale aperta e ad alta velocità.
Reti PLC
Con l'approfondimento dell'automazione industriale, l'autonomo PLC il modello non è più sufficiente a soddisfare le esigenze delle procedure di produzione degli impianti.
Una rete di interazione stabile ed efficiente è fondamentale, sia per la sincronizzazione dei dati tra PLC sia per il lavoro congiunto tra PLC e sistemi host (come Interfaccia uomo-macchina e SCADA), e gadget intelligenti (come la robotica e la regolarità variabile unità).
Un'opzione di rete durevole è particolarmente cruciale nelle attività su larga scala con punti di controllo dislocati e che richiedono funzionamento e manutenzione da remoto.
Attualmente, le principali innovazioni nel campo delle reti PLC possono essere suddivise in tre gruppi principali: quelle basate su porte seriali generiche, bus di campo proprietari e Ethernet industriale standard. Ogni strategia ha il suo contesto storico e i suoi scenari applicativi specifici, ma la direzione dello sviluppo tecnico è piuttosto chiara.
1. I limiti della comunicazione seriale generica
La comunicazione basata su porte seriali generiche come RS-232 o RS-485 è stata uno dei primi approcci di rete. Collega più PLC a un sistema di computer host tramite il componente di comunicazione seriale del PLC, operando in modo simile a un collegamento tra computer.
Vantaggi: È semplice da implementare e poco costoso, il che lo rende una soluzione conveniente per sistemi di controllo punto-punto o di piccole dimensioni a breve distanza.
Svantaggi: Gli svantaggi di questo approccio sono evidenti. Innanzitutto, fornisce una bassa velocità; la velocità di RS-232 è in genere inferiore a 115,2 kbps e, sebbene RS-485 sia leggermente più veloce, è ben lungi dall'essere sufficiente per le enormi esigenze di trasmissione di informazioni del settore contemporaneo. In secondo luogo, il suo raggio di trasmissione è breve, con la portata effettiva di RS-232 di soli 15 metri circa. Infine, presenta scarse capacità anti-interferenza e una rete complessa, soprattutto con l'aumento del numero di nodi. Ciò richiede programmi e configurazioni complesse e rende la rete soggetta a interferenze elettromagnetiche in ambienti industriali.
Di conseguenza, la comunicazione seriale generica viene ora utilizzata principalmente per collegare semplici dispositivi ausiliari con bassi requisiti in tempo reale.
2. Barriere dei fornitori: l'era dei fieldbus proprietari
Per ovviare alle carenze della comunicazione seriale, i principali produttori di PLC, come Siemens e Rockwell Automation, hanno introdotto le proprie procedure esclusive di bus di campo, come PROFIBUS, DeviceNet e CC-Link.
Vantaggi: Sviluppati per specifici ambienti commerciali, i bus proprietari offrono elevata sicurezza e determinismo in tempo reale, garantendo la trasmissione affidabile delle informazioni in frazioni di secondo. Ciò li rende particolarmente adatti per applicazioni di controllo a circuito chiuso con rigorose esigenze in tempo reale, come il controllo del movimento ad alta velocità.
Svantaggi: I loro maggiori punti deboli sono la natura esclusiva e il costo elevato. Le procedure bus di diversi fornitori sono incompatibili, creando un "vendor lock-in". Non appena viene scelto un marchio specifico di PLC, i dispositivi di sviluppo successivi (come azionamenti e componenti I/O) devono essere dello stesso marchio o utilizzare un metodo appropriato. Ciò non solo limita la scelta individuale, ma aumenta anche notevolmente il costo totale del sistema e i problemi di manutenzione. Inoltre, l'integrazione dei bus di campo con le reti IT aziendali è complessa, ostacolando il flusso continuo dei dati di produzione verso il livello di gestione.
3. Lo standard del futuro: l'ascesa di Ethernet industriale
Con la profonda convergenza tra Information Technology (IT) e Operational Technology (OT), è emersa l'Ethernet industriale, basata sulla tecnologia Ethernet standard. I metodi Rep includono PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP. Questa innovazione utilizza la tecnologia TCP/IP ormai consolidata per adattarsi alle circostanze industriali, creando una piattaforma di comunicazione aperta, ad alta velocità e scalabile.
Architettura del sistema: Un tipico sistema Ethernet industriale è solitamente suddiviso in tre livelli: il livello superiore è costituito da una stazione di monitoraggio con PC o server industriali; il livello intermedio è la struttura di rete, composta da switch industriali e cavi a doppino intrecciato o fibra ottica; il livello inferiore è la stazione di controllo, che collega PLC, sensorie attuatori.
Vantaggi principali
Alta velocità e ampia larghezza di banda: Ethernet industriale consente di trasferire rapidamente dati a 100 Mbps, 1 Gbps o anche di più, con la capacità di trasportare diversi tipi di dati, tra cui segnali di controllo, informazioni diagnostiche e flussi video.
Apertura e interoperabilità: In base ai criteri Ethernet accettati a livello globale, i dispositivi di vari produttori possono raggiungere l'interoperabilità a condizione che seguano esattamente la stessa procedura Industrial Ethernet, abbattendo le barriere dei bus esclusivi.
Convergenza IT/OT senza soluzione di continuità: L'utilizzo del protocollo TCP/IP consente alla rete di fabbrica di integrarsi in modo nativo con la rete degli uffici aziendali (sistemi ERP, MES), fondamentale per implementare l'Industrial Internet of Things (IIoT) e la produzione intelligente.
Flessibilità e scalabilità: Supporta numerose topologie di rete adattabili, come stella, anello e linea, facilitando la preparazione della rete e la crescita futura.
Potenti capacità diagnostiche: Fornisce un'ampia gamma di dispositivi diagnostici di rete in grado di individuare tempestivamente i punti di guasto, migliorando la manutenibilità del sistema.
Sebbene il collegamento di dispositivi seriali tradizionali a una rete Ethernet possa inizialmente richiedere convertitori di procedura e comportare un certo costo hardware, i vantaggi a lungo termine e la compatibilità futura superano di gran lunga questo primo investimento finanziario.
Metodi di rete di base: un'analisi comparativa
Per evidenziare più chiaramente le differenze tra i 3 metodi di rete PLC, la tabella seguente fornisce un confronto completo:
| Caratteristica | Seriale generico (ad esempio, RS-485) | Fieldbus proprietario (ad esempio, PROFIBUS DP) | Ethernet industriale (ad esempio, PROFINET/EtherNet/IP) |
|---|---|---|---|
| Velocità di comunicazione | Basso (in genere < 10 Mbps) | Medio (fino a 12 Mbps) | Molto alto (100 Mbps / 1 Gbps / Superiore) |
| Distanza di trasmissione | Medio (fino a ~1200 metri) | Lungo (dipende dalla velocità e dal cavo) | Molto lungo (100 m con il rame, decine di chilometri con la fibra) |
| Apertura | Bene | Scarso (blocco del fornitore) | Eccellente (basato su Ethernet standard e TCP/IP) |
| Costo di rete | Basso | Alto | Medio (i costi dell'hardware continuano a diminuire) |
| Capacità di integrazione IT | Povero, richiede gateway | Scarso, richiede gateway complessi | Integrazione eccellente e senza soluzione di continuità |
| Determinismo in tempo reale | Povero | Eccellente | Eccellente (tramite tecnologie come RT/IRT) |
| Flessibilità topologica | Limitato (autobus) | Limitato (autobus) | Eccellente (Stella, Anello, Linea, ecc.) |
| Applicazioni tipiche | Connessioni di dispositivi semplici e su piccola scala | Controllo della linea di produzione con elevati requisiti in tempo reale | Automazione a livello di stabilimento, produzione intelligente, applicazioni ad alta intensità di dati |
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Conclusione
L'analisi mostra chiaramente che, sebbene le tecnologie fieldbus seriali e proprietarie generiche abbiano svolto un ruolo importante in specifici periodi storici e contesti applicativi, i loro limiti sono sempre più evidenti nella nuova rivoluzione industriale.
Ethernet industriale, con la sua eccezionale velocità, visibilità, versatilità e potenti capacità di integrazione IT, è diventata la scelta migliore per le reti di automazione PLC. Non solo soddisfa le complesse esigenze di controllo odierne, ma apre anche la strada alle aziende per la transizione verso l'Internet of Things industriale (IIoT), l'analisi dei big data e le applicazioni su piattaforme cloud. Scegliere Ethernet industriale significa optare per un progetto di automazione più efficiente, scalabile e a prova di futuro.
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