Il nuovo standard 10BASE-T1L

La comunicazione dei dati tra vari dispositivi è essenziale in molti aspetti della vita quotidiana. La proliferazione dei dispositivi e l'aumento drammatico dei volumi di dati guidato dalla digitalizzazione e dall'Industria 4.0 stanno forzando cambiamenti nel panorama della comunicazione. In questo articolo, esamina in profondità lo standard 10BASE-T1L per l'ethernet industriale a 2 fili, inclusi connettività, hardware, alimentazione e altro.

Introduzione

La comunicazione dei dati sta assumendo un ruolo sempre più significativo non solo nel settore industriale, ma anche nell'automazione dei processi. Le applicazioni precedenti da 4 mA a 20 mA o Fieldbus stanno raggiungendo i loro limiti a causa dei crescenti volumi di dati, e l'Ethernet si sta quindi cristallizzando come standard di comunicazione. La soluzione Ethernet standard a 4 fili si è evoluta in una soluzione a 2 fili nota come 10BASE-T1L, costituita da una singola coppia di cavi intrecciati o Ethernet a coppia singola (SPE). Oltre il livello fisico, 10BASE-T1L è compatibile con le tecnologie Industrial Ethernet esistenti con 100 Mbps o 1000 Mbps e quindi è un'integrazione.
 
10BASE-T1L sta diventando standardizzato soprattutto nell'automazione dei processi e ha il potenziale per apportare cambiamenti radicali in quest'area. Proprio qui, fino ad ora, sensori e attuatori sono stati solitamente collegati tramite un'interfaccia analogica da 4 mA a 20 mA o un Fieldbus. Nell'automazione dei processi, a differenza dell'ingegneria meccanica o dell'automazione degli impianti, questi sensori e attuatori sono solitamente a distanza dal sistema di controllo o dai sistemi I/O remoti. Distanze da 200 m a 1000 m e oltre sono comuni.

Cosa significa 10BASE-T1L?

Il nome 10BASE-T1L spiega approssimativamente il suo significato. Qui sono utilizzate le abbreviazioni dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
 
Il "10" nel tipo di media si riferisce a una velocità di trasmissione di 10 Mbps. "BASE" si riferisce ai segnali in banda base, il che significa che solo i segnali Ethernet possono essere trasportati sul mezzo. "T" sta per "twisted pair". La cifra "1" rappresenta un raggio di 1 km. In questo caso, è seguito da una "L" per "long-range", il che significa che sono possibili lunghezze di segmenti di 1 km e più.

Con quali dispositivi e macchine può essere utilizzato 10BASE-T1L e in che misura è possibile utilizzare l'infrastruttura esistente con esso?

10BASE-T1L è progettato per sostituire il segnale standardizzato da 4 mA a 20 mA in molte, se non nella maggior parte, delle applicazioni di automazione dei processi. Tuttavia, questo non significa che strumenti di campo più vecchi collegati tramite anelli di corrente da 4 mA a 20 mA debbano essere sostituiti con strumenti di campo compatibili con 10BASE-T1L. Questi dispositivi convenzionali possono essere collegati tramite moduli I/O configurabili tramite software (SWIO), mentre gli I/O remoti fungono da punto di raccolta per la connessione al PLC con un uplink Ethernet a 10 Mbps.
 
I moduli I/O configurabili tramite software hanno canali del modulo riconfigurabili, il che consente loro di lavorare in modo rapido, semplice e a distanza senza richiedere una riprogrammazione estensiva. I canali possono essere configurati sia come ingresso che come uscita, sia per correnti e tensioni, sia digitali che analogici.
 
In alcuni casi, è richiesto che sia l'alimentazione per i dispositivi sia i loro dati siano forniti tramite 10BASE-T1L, come definito come parte dello standard. 10BASE-T1L supporta due modalità di ampiezza: 2,4 V per lunghezze di cavo fino a 1000 m e 1 V per distanze più brevi fino a 200 m. Attraverso la modalità di ampiezza di picco di 1,0 V, questa tecnologia può essere utilizzata anche in ambienti protetti contro le esplosioni (aree pericolose) e soddisfa i severi requisiti di massimo consumo energetico applicabili in tali contesti.

Quali sono i vantaggi di 10BASE-T1L?

I dispositivi convenzionali da 4 mA a 20 mA con HART® e fieldbus hanno una larghezza di banda dati limitata a pochi kbps. Con 10BASE-T1L, si possono raggiungere velocità di 10 Mbps. Ciò rende possibile trasmettere non solo un valore di processo ma anche parametri aggiuntivi del dispositivo, come informazioni di configurazione e parametrizzazione. In futuro, possibili aggiornamenti software per sensori sempre più complessi, così come diagnosi di guasti e di rete come cortocircuiti sulla linea verso il sensore, saranno eseguiti relativamente rapidamente attraverso la linea dati. Anche la configurazione è più semplice perché con 10BASE-T1L non sono più necessari gateway e convertitori. Eliminando i gateway, i costi e la complessità di queste vecchie installazioni sono notevolmente ridotti, e le isole di dati create da essi vengono eliminate.
 
Inoltre, possono essere trasmessi potenze più elevate sulla linea dati. Ad esempio, 500 mW in aree intrinsecamente sicure (aree pericolose) e persino fino a 60 W in aree non intrinsecamente sicure possono essere trasmessi.
 
Standard Ethernet come PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA o ModbusTCP, e protocolli IoT come MQTT, possono abilitare il collegamento facile e potente dei dispositivi di campo a un cloud.

10BASE-T1L funziona anche con i moduli switch?

Come con Ethernet standard, con 10BASE-T1L ci sono ponti che permettono l'accoppiamento di vari segmenti di rete e dispositivi. Diverse topologie di rete possono essere realizzate e utilizzate per fornire energia ai dispositivi connessi. Nell'automazione dei processi, gli switch sono spesso collegati ai controller, agli HMI e al cloud. Gli switch permettono la ridondanza dei media sotto forma di topologie ad anello per una maggiore disponibilità.
 
Nell'automazione dei processi, le connessioni ai dispositivi, sensori e attuatori sono anche chiamate derivazioni, mentre le connessioni tra gli switch e fino al sistema di controllo rientrano sotto il nome di dorsale.

Posso anche implementare l'alimentazione ai dispositivi tramite i "due fili"?

Lo standard 10BASE-T1L non solo offre la comunicazione dei dati da sensori e attuatori, ma fornisce anche la possibilità di alimentarli tramite le linee di segnale. Concretamente, 10BASE-T1L può fornire fino a 60 W di potenza in aree non intrinsecamente sicure. Nelle aree protette contro le esplosioni (intrinsecamente sicure), la potenza è limitata a 500 mW; in questo caso, l'ampiezza del segnale viene anche ridotta rispetto a quella delle applicazioni standard da 2,4 V a 1 V per rispettare i severi requisiti per la massima energia applicabili lì. Tuttavia, di conseguenza, sono possibili solo distanze di trasmissione ridotte in aree intrinsecamente sicure.

Conclusione

10BASE-T1L fornisce uno standard di comunicazione relativamente robusto per l'automazione dei processi che offre numerosi vantaggi rispetto alle applicazioni convenzionali da 4 mA a 20 mA, inclusa la possibilità di riutilizzare l'infrastruttura esistente.