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14/01/2019

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di Giancarlo Magnaghi

La convergenza tra le reti degli uffici e delle fabbriche

La situazione attuale e il percorso di evoluzione ipotizzati per i prossimi anni, tra Industria 4.0 e all’Internet delle cose industriale.

Una delle principali difficoltà connesse all’implementazione delle applicazioni relative a Industria 4.0 e all’Internet delle cose industriale (IIoT), è la convergenza delle reti per l’Information Technology con quelle per l’Operational Technology, poiché attualmente tali reti operano in ambienti separati (uffici e fabbriche) e sono state realizzate per soddisfare necessità molto diverse tra loro.

Reti IT
L’obiettivo principale delle reti informatiche aziendali è quello di trasmettere grandi quantità di dati di varia natura (dati strutturati, documenti, file multimediali, e-mail, VoIP, videocomunicazione, applicazioni in cloud) in aree locali e geografiche, senza requisiti particolarmente stringenti relativamente ai tempi e alla latenza di trasmissione, se non in casi particolari, come la trasmissione dei dati delle quotazioni dei titoli delle principali Borse mondiali. Inoltre, sono spesso utilizzate da applicazioni che generalmente, ma anche in questo caso esistono delle eccezioni, non comportano rischi relativi a danni materiali e all’incolumità fisica degli utenti, tipicamente ‘colletti bianchi’ che lavorano in ambienti d’ufficio.

Reti OT
Le reti di fabbrica tradizionali devono trasmettere quantità limitate di dati in tempi certi, misurabili in millisecondi o anche microsecondi per le applicazioni più critiche (comunicazioni in tempo reale) e in alcuni casi il ritardo nelle trasmissioni può provocare danni fisici anche gravi, come guasti meccanici, incidenti sul lavoro o scoppi. L’attuale architettura di controllo dell’automazione di fabbrica è gerarchica (piramide dell’automazione): i controllori logici programmabili (CNC e PLC) eseguono le funzioni di automazione al livello più basso (a bordo macchina) utilizzando i dispositivi connessi (azionamenti, relè e sensori), mentre in cima alla piramide ci sono computer ad alte prestazioni che svolgono funzioni di gestione della produzione. I vari strati hanno requisiti di rete diversi: quelli inferiori richiedono un comportamento veloce e deterministico, mentre quelli superiori sono reti IT con larghezza di banda elevata e topologie di rete flessibili. Questo porta alla presenza di più reti che operano nei diversi livelli. Nella maggior parte dei casi, tra queste reti è possibile solo una comunicazione limitata in ciascuna direzione attraverso gateway e convertitori di protocollo. La convergenza di queste reti costituisce però un elemento chiave abilitante dei sistemi cyberfisici, dell’IoT industriale e in generale delle applicazioni di Industria 4.0.

Bus e reti Ethernet industriali
Le comunicazioni di segnali elettrici all’interno delle macchine e degli impianti industriali tradizionali avvengono attraverso segnali analogici, segnali digitali elementari (contatti aperti o chiusi) o attraverso bus di campo (fieldbus) che inizialmente utilizzavano prevalentemente linee di trasmissione seriali e si sono evoluti e standardizzati nell’arco di un trentennio. I principali fieldbus attuali sono standardizzati dalla norma IEC 61158, che definisce un’architettura a 3 livelli (una semplificazione del modello ISO/OSI a 7 livelli, per aumentare la velocità di elaborazione), basata su collegamenti in rame, fibra ottica o via radio. I fieldbus industriali (come Profibus, ModBus e CC-Link), si diversificano nel livello di controllo e comando, volume dei dati trasmessi, tempi di risposta e grado di protezione. Da qualche anno, sono nate varie versioni di industrial Ethernet (Ethenet/IP, Profinet, EtherCAT, Mobus_TCP, PowerLink), che superano in vari modi il problema dell’impossibilità di controllare i tempi di latenza delle trasmissioni, insito nel meccanismo di comunicazione CSMA/CD di Ethernet standard IEEE 802.3, e permettono di utilizzare i cablaggi CAT 5, 6 e 7 e gli switch Ethernet. Si stanno diffondendo velocemente anche le tecnologie wireless. Secondo uno studio pubblicato da Hms Industrial Networks riguardante lo stato del mercato delle reti industriali (di cui in queste pagine pubblichiamo alcuni grafici significativi), le reti Ethernet industriali hanno superato i fieldbus tradizionali in termini di nodi (macchine o dispositivi collegati in rete) installati nell’automazione industriale nel corso del 2017, anche se non hanno ancora superato i fieldbus nel numero globale di nodi installati. 
A oggi, le reti Ethernet industriali coprono il 52% del mercato, mentre i fieldbus arrivano al 42%. EtherNet/IP è la principale rete installata con il 15%, seguita da Profinet e Profibus, entrambe con il 12%. Le soluzioni wireless si stanno sempre più affermando, con una quota di mercato che è arrivata al 6%, dopo una costante crescita negli ultimi 5 anni, dovuta alla possibilità di ridurre i cablaggi e di utilizzare terminali mobili come tablet, smartphone e smartwatch anche negli ambienti di produzione. La tecnologia wireless più popolare è Wi-Fi (IEEE 802.11), seguita da Bluetooth (IEEE 802.15). La migrazione a Ethernet industriale nasce dall’esigenza di avere alte prestazioni, una maggiore integrazione degli impianti industriali con i sistemi IT/IoT, ed è favorita dalla diffusione delle applicazioni IIoT.
In Europa, il fieldbus Profibus è ancora ampiamente utilizzato, mentre Profinet, EtherNet/IP, EtherCat, Modbus-TCP ed Ethernet PowerLink sono le forme di Industrial Ethernet più popolari. La crescita delle reti industriali è stata costante nel corso degli ultimi cinque anni, tuttavia il mercato delle reti industriali rimane frammentato, data la crescente necessità da parte degli utenti di collegarsi a un’ampia scelta di reti, in funzione delle applicazioni. Questa situazione mette in difficoltà costruttori, system integrator e utenti finali, poiché non è facile orientarsi in un’offerta così variegata, nonostante gli sforzi profusi dalle community di fornitori e utenti che cercano di diffondere il know-how relativo allo stato dell’arte e ai trend delle reti industriali, come il consorzio PI (www.profi-bus.it), che ha costituto due centri di competenza sulle reti industriali in collaborazione con le Università di Brescia e di Pisa.



Il futuro: Time Sensitive Networking

Guardando al futuro, è chiaro che, poiché saranno collegati sempre più dispositivi industriali, favoriti dall’Industrial Internet of Things e dall’Industria 4.0, sarà necessario arrivare a un’unica rete convergente per gestire le aziende manufatturiere del futuro. La soluzione più probabile sarà fornita dalle reti TSN (Time Sensitive Networking), un insieme di standard della famiglia IEEE 802.1 che renderanno possibile la comunicazione deterministica fra reti Ethernet, pur mantenendo i vantaggi della comunicazione in modalità best effort sulla stessa rete. Il protocollo TSN introduce diverse classi di traffico che condividono la stessa connessione, riserva risorse per flussi con caratteristiche deterministiche nel tempo, e consente di realizzare una rete comune che supporta più standard di comunicazione. Ulteriori funzionalità TSN includono il filtraggio e la sorveglianza dei flussi TSN, il supporto a reti ridondanti e alla trasmissione ciclica dei dati, fornendo privilegi per i pacchetti ad alta priorità. Di conseguenza, lo standard TSN assicura la convergenza fra le reti IT e OT. Questa convergenza riduce il costo di implementazione, di gestione e di esercizio della rete.
In futuro, le reti TSN verranno utilizzate anche nella building automation, nella distribuzione dell’energia e nell’industria dei trasporti, eviteranno le necessità di formazione su molti standard differenti e contribuiranno a espandere il mercato delle soluzioni di rete. Il maggiore vantaggio tecnico delle reti TSN sulle attuali Ethernet industriali è la scalabilità. Infatti potranno essere utilizzate a 10 /100 Mbps, 1 o 5Gbps grazie al layer 2 unificato IEEE802.1/TSN. Ovviamente, i protocolli Industrial Ethernet esistenti non spariranno subito, e per gli utenti di Profinet, Ether- Net/IP, EtherCAT e simili, si stanno già pianificando cammini di migrazione per i prossimi 10 anni. Le reti TSN si troveranno in tutte le nuove installazioni e sotto forma di isole introdotte in modo incrementale nelle installazioni esistenti.

 
TAG: Networking

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