Smart Factory, Ethernet e OPC-UA: il futuro del networking industriale

L’industria 4.0 si fonda sull’intelligenza distribuita che vede interconnessi macchine e impianti in un sistema di rete omogeneo. La disponibilità di una rete avanzata diventa, quindi, essenziale nel processo produttivo, per cui il networking industriale sta assumendo una rilevanza superiore ad altre tecnologie abilitanti.

a cura del Gruppo Meccatronica di ANIE Automazione

La comunicazione nell’Industria 4.0 si sta orientando verso l’adozione di uno standard uniforme, che possa garantire la massima compatibilità come analogamente avvenuto in passato per esempio per i PC con l’introduzione della porta USB. In queste nuove impostazioni organizzative di fabbrica, la necessità di avvalersi di un’interfaccia standard tra sistemi di automazione dei molteplici livelli della “piramide dell’automazione” ha favorito la progressiva affermazione dell’Industrial Ethernet, che agevola la condivisione delle informazioni raccolte dalle periferiche in campo.

Dai Fieldbus all’Industrial Ethernet
A seguito del boom dell’automazione negli anni ’80 e ’90, che ha dato origine alla cosiddetta “piramide dell’automazione” e, prima dell’avvento dell’Industrial Ethernet, i dati venivano trasmessi attraverso protocolli Fieldbus. Per differenziare i prodotti sul mercato, molte aziende hanno creato Bus di campo proprietari e questa tendenza si è ripetuta con l’introduzione di standard Ethernet personalizzati, rendendo complesso uno scambio diretto di dati tra singoli componenti su livelli differenti della piramide dell’automazione. Al fine di superare le barriere poste dai molteplici protocolli univoci e incompatibili tra loro, nelle smart factory sono state sviluppate nuove tecnologie.

L’origine del TSN per la trasmissione dei dati in real-time
L’interoperabilità è sicuramente una delle maggiori sfide dell’Industria 4.0. A tal riguardo, il settore del networking industriale si è trovato, da un lato, a dover facilitare la pianificazione e la progettazione delle reti in presenza di un elevato numero di standard non compatibili. Dall’altro, ha dovuto superare le tradizionali limitazioni dello standard Ethernet, quali l’assenza di determinismo, ovvero la definizione certa del ritardo massimo di trasmissione di un pacchetto dati da un punto A ad un punto B della rete e l’impossibilità di trasmettere dati accurati in tempo reale.
In tal senso, sono state sviluppate estensioni proprietarie real-time che richiedono speciali componenti di rete. Questa soluzione imperfetta ha dato origine a cosiddette “isole real-time” all’interno delle reti, limitando l’omogenea e coesistente trasmissione di dati real-time e non-real-time. Nelle reti Ethernet tradizionali, essendo il problema irrisolvibile, si è sempre adottato l’espediente di una rete velocissima e con poco traffico, per minimizzare la probabilità che un pacchetto dati importante potesse essere ritardato oltre misura. Questo ha dato origine all’esigenza di adottare tecnologie di trasmissione ad alta velocità anche quando non sarebbe stato strettamente necessario.
Il working group IEEE 802.1, per assolvere a tale istanza, ha dunque promosso la diffusione del Time Sensitive Networking (TSN), una tecnologia nata originariamente per la trasmissione sincronizzata di segnali audio nelle sale da concerto. Il TSN si configura come una nuova serie di standard a livello 2 della gerarchia Ethernet, in grado di garantire la certezza della trasmissione di flussi di dati critici entro un tempo determinato e la sincronizzazione precisa tra i nodi della rete, a supporto della comunicazione real-time dei dati raccolti. Il TSN però è privo di indicazioni circa la destinazione dei dati o il loro significato: queste informazioni diventano disponibili grazie all’utilizzo dello standard OPC-UA.

OPC-UA: il “connettore USB” delle fabbriche intelligenti
L’Open Platform Communications’ Unified Architecture (OPC-UA) è un protocollo aperto per comunicazioni strutturate, efficienti e sicure da macchina a macchina e tra queste ultime, il sistema ERP e il cloud, a garanzia di un’interoperabilità verticale e orizzontale, pilastro per una gestione degli asset industriali efficiente e produttiva.
La OPC Foundation è stata creata nel 1996 dall’iniziativa di 4 aziende: Fisher-Rosemount (oggi parte di Emerson Electric Co.), Intellution, Opto 22 and Rockwell Software, per superare la presenza di diversi protocolli proprietari nella comunicazione industriale. Il primo standard OPC di grande successo – OPC Data Access – è stato concepito per definire interfacce client/server per l’accesso in lettura e scrittura ai dati di processo ed è stato prevalentemente usato in sistemi HMI e SCADA in cui diversi dispositivi hardware per l’automazione, di differenti produttori, riescono a comunicare tramite un’unica interfaccia software. Seppur innovativo, lo standard OPC non possedeva alcune funzionalità a livello di sicurezza e di contestualizzazione.
Nel 2004 l’OPC Foundation iniziò i lavori per la ricerca di un nuovo standard che fosse in grado di riunificare tutte le specifiche precedenti e soddisfare la necessità di interfacce platform-independent, senza perdita di funzionalità ed efficienza: nacque così l’OPC-UA, una soluzione che permette la creazione di modelli estensibili per descrivere sistemi complessi. Già ampiamente accettato come standard per l’Industry 4.0, l’OPC-UA si arricchisce oggi della funzione real-time grazie al TSN. Se abbinate, queste nuove tecnologie rendono Ethernet ancora più idoneo alle smart factory.

Trend di mercato
Per fare in modo che queste tecnologie possano funzionare al meglio e gestire una crescita esponenziale di informazioni generate dalle macchine, risulta prioritario progettare un adeguato livello fisico di rete, in grado di garantire una trasmissione di dati semplice ed efficiente su tutti i livelli della piramide dell’automazione industriale. In tal senso, la diffusione di nuovi standard di trasmissione dati rappresenta un’opportunità di riflessione sul futuro dei cavi Ethernet e tra le principali tendenze che segneranno il futuro delle reti Networking figura, ad esempio, la riduzione delle dimensioni dei cavi.
Questo trend nasce dall’intuizione, di alcuni produttori di soluzioni integrate nelle tecnologie di cablaggio: che una coppia singola di conduttori è sufficiente per la trasmissione dati fino a 1 Gbit/s rispetto alle 4 coppie che compongono i cavi Ethernet veloci. Fino ad oggi infatti, ci si è basati sull’assioma veloce = migliore, progettando cavi sempre più performanti. Tuttavia, se questo principio è corretto in caso di applicazioni complesse, per la maggior parte dei casi una tale velocità può risultare superflua in quanto, molto spesso, i cavi Cat.5e sono in grado di rispondere alle stesse esigenze della committenza a 1 Gbit/s in presenza degli standard TSN e OPC-UA. La proprietà imprescindibile è l’elevata qualità del cavo Ethernet che deve garantire, ad esempio, la perfetta schermatura affinché i dati arrivino correttamente a destinazione, senza interruzioni di segnale lungo il percorso. Inoltre, nell’ambiente industriale, è necessario l’utilizzo di cavi resistenti a temperature estreme o esposizioni ad agenti chimici, che siano al contempo flessibili e che occupino il minor spazio possibile.