Single Pair Ethernet e Advanced Physical Layer

L'industria 4.0 ha portato con sé una serie di nuove esigenze in termini di comunicazione industriale. La crescente diffusione dell'Internet of Things (IoT) e l'esigenza di raccogliere e analizzare grandi quantità di dati in tempo reale hanno reso necessario adottare tecnologie di comunicazione più efficienti e flessibili.

Questa nuova rivoluzione sta arrivando anche nell’automazione di processo, dove i protocolli di comunicazione industriale tradizionali, come Fieldbus Foundation, Profibus e Modbus, hanno servito bene l'industria per decenni, ma stanno ora raggiungendo i loro limiti in termini di scalabilità, prestazioni e larghezza di banda dei dati.

I cavi Single Pair Ethernet (SPE) e l’Advanced Physical Layer (APL) rappresentano due sviluppi significativi nella tecnologia di connessione di rete. Entrambi offrono soluzioni innovative per la trasmissione di dati ed energia in una varietà di applicazioni. In questo contesto, Single Pair Ethernet (SPE) e Advanced Physical Layer (APL) stanno emergendo come le tecnologie di comunicazione industriali del futuro.

Single Pair Ethernet (SPE) è una tecnologia di comunicazione che consente di trasmettere sia alimentazione sia dati (Power Over Ethernet - POE) attraverso un cavo schermato, con solo un paio di conduttori. Questa caratteristica contribuisce a ridurre notevolmente la dimensione e il peso del cavo rispetto ai tradizionali cavi che utilizzano 2 o 4 coppie di conduttori. I cavi SPE sono ideali per applicazioni in spazi ristretti e offrono un’elevata efficienza energetica.

SPE è basata sullo standard IEEE 802.3cg, che specifica le caratteristiche fisiche e funzionali della tecnologia. Lo standard consente di trasmettere dati a una velocità di 10 Mbit/s su una distanza massima di 1.000 metri.

SPE offre una serie di vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie Ethernet, tra cui:

• Ridotta complessità e costi: Utilizzando un solo paio di conduttori, SPE elimina la necessità di più cavi e riduce la complessità dell'installazione e della manutenzione. Ciò può portare a notevoli risparmi sui costi.
• Prestazioni migliorate: SPE supporta velocità dati fino a 10 Mbps, significativamente superiori a molti protocolli industriali tradizionali. Ciò consente un trasferimento dati più veloce e una comunicazione più efficiente tra i dispositivi.
• Affidabilità migliorata: SPE è progettato per essere più robusto e resistente alle interferenze rispetto ai protocolli industriali tradizionali. Questo lo rende una scelta più affidabile per le applicazioni che richiedono un'elevata disponibilità di dati.

APL (Advanced Physical Layer) è stata sviluppata e standardizzata dalle principali organizzazioni del mondo dell’automazione industriale, tra cui ODVA, OPC UA, FieldComm Group e PI International.

APL è un livello fisico specializzato 10Base-T1L, come definito in IEEE Std 802.3cg-2019, che consente la comunicazione di dati e la fornitura di alimentazione su un unico cavo in ambienti industriali difficili. APL è progettato per supportare le reti di campo basate su Ethernet in ambienti con requisiti di sicurezza intrinseca.

APL integra la tecnologia Ethernet fino al livello di campo, aprendosi a protocolli basati su Ethernet come Profinet, Modbus TCP ed EtherNet/IP. Ciò consente lo scambio di dati senza interruzioni tra dispositivi sul campo e sistemi di automazione di livello superiore, abilitando il monitoraggio, il controllo e l'ottimizzazione in tempo reale.

Trattandosi di un mezzo fisico sono definite le tipologie di connettori (M12 cod. A o direttamente a morsetti sul dispositivo), oltre a esservi una classificazione delle possibili porte installate sui dispositivi, ovvero:

• P (Powered), power source;
• L (Load), power drain;
• C (Cascade), per configurazioni daisy chain;
• U (Unpowered).

Una rete su base APL può avere diverse topologie, tra cui anche la possibilità di gestire la ridondanza per la continuità di produzione, requisito fondamentale per il mondo del processo. Nello specifico, in una rete APL esistono due tipologie di segmenti:

• ‘trunk’, il segmento che garantisce i livelli di potenza più elevati (fino a max 1.000 m di lunghezza);
• ‘spur’, il segmento di minore potenza, adatto a essere impiegato nelle zone atex. (Fino a 200 m di lunghezza).

Proprio per la caratteristica di essere un mezzo di comunicazione peer-to peer ethernet based, per poter funzionare necessita di usare dei componenti di rete. Esistono gli APL switch, diversificati come power switch o field switch. Il power switch designato alla alimentazione del trunk principale ed è preposto all’alimentazione di uno o più spur in cui è suddivisa la rete. I field switch, invece, sono alimentati sempre per mezzo del power switch dal quale derivano. Compito principale dei field switch è l’alimentazione e la comunicazione dei dispositivi di campo attraverso gli spur.

• Sicurezza migliorata: APL è specificamente progettato per soddisfare i requisiti di sicurezza delle zone pericolose di classe 1 e 2, rendendolo ideale per l'utilizzo in ambienti in cui sono presenti gas o liquidi infiammabili.
• Compatibilità con gli standard IEC 61158-2 e IEC 61850-3: APL è compatibile con questi standard di riferimento per l'interconnessione di dispositivi industriali.
• Trasmissione di dati: Tramite Ethernet a 10 Mbit/s (sec. IEC 61156-13) su lunghe distanze (lunghezza trunk fino a 1000 m o spur fino a 200 m), particolarmente utile in applicazioni industriali su larga scala.
• Real time: Possibilità di gestire più comunicazioni contemporaneamente, in particolare realtime e non realtime.

• Industria di processo: SPE e APL sono la soluzione ideale per la raccolta e l'analisi dei dati di processo in ambienti pericolosi.
• Industria manifatturiera: SPE e APL possono essere utilizzate per la connessione di sensori, attuatori e altri dispositivi di campo.
• Industria logistica: SPE e APL possono essere utilizzate per la connessione di dispositivi di monitoraggio e controllo dei processi logistici.
• Automazione industriale: I cavi SPE sono ideali per l’automazione industriale, dove la dimensione, il peso e l’efficienza energetica sono fattori critici.
• Trasporti: Nei veicoli, i cavi SPE, possono essere utilizzati per connettere vari dispositivi e sensori, riducendo il peso e migliorando l’efficienza energetica.
• Ingresso/uscita remota: può essere utilizzato per estendere la portata dei sistemi I/O, consentendo il collegamento di dispositivi remoti che non sono fisicamente situati vicino al sistema di controllo.

I cavi Single Pair Ethernet e l’Advanced Physical Layer rappresentano due sviluppi significativi nella tecnologia di cablaggio elettrico. La combinazione di queste due tecnologie offre una soluzione potente e versatile per la trasmissione di dati e energia in una varietà di applicazioni. Con la loro efficienza, versatilità e robustezza, i cavi SPE e l’APL stanno diventando sempre più popolari in una serie di settori.

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