Le odierne tecnologie di automazione industriale in rapida espansione si basano sul livello fisico della rete Ethernet, che riduce i costi e semplifica le interconnessioni. Tuttavia, la natura specifica degli impianti di produzione comporta nuove sfide per l’ambiente Ethernet. Con le conoscenze e gli strumenti giusti, gli installatori, i tecnici e gli elettricisti possono sfruttare i benefici offerti da questa tecnologia.
Sviluppata originariamente presso lo Xerox Palo Alto Research Center (PARC) negli anni ‘70, la rete Ethernet è diventata oggi il sistema di rete più comune al mondo. In tutti questi anni, gli enormi cambiamenti e ampliamenti agli standard hanno consentito alla rete Ethernet di gestire un’ampia varietà di applicazioni che non erano neanche state considerate dagli sviluppatori originari. Una di tali applicazioni è la rete Ethernet industriale. I fornitori e le organizzazioni di standardizzazione hanno adottato il livello fisico sottostante della rete Ethernet per creare una serie di tecnologie quali PROFINET, Ethernet/ IP (Industrial Protocol), EtherCAT e Modbus-TCP, che sono ottimizzate per l’automazione industriale.
Standard di cablaggio e connettori
Tutte le applicazioni delle reti Ethernet industriali sono progettate per funzionare su cavi in rame a doppino ritorto o in fibra simili a quelli utilizzati nelle reti Ethernet “normali”, con alcune modifiche per l’ambiente industriale. L’International Standards Organization (ISO) e la Telecommunications Industry Association (TIA) hanno sviluppato una serie di specifiche per definire le possibili condizioni ambientali all’interno dei siti industriali. Tali condizioni sono note come specifiche MICE (Mechanical, Ingress, Climatic/Chemical and Electromagnetic). I livelli MICE descrivono vari gradi di condizioni ambientali, dove MICE 1 definisce un tipico ambiente d’ufficio, MICE 2 un ambiente leggermente più rigido e MICE 3 un ambiente molto industriale. Per soddisfare tale requisiti, i fornitori hanno sviluppato cavi e connettori specifici, tra cui cavi che funzionano anche se schiacciati, riscaldati, immersi o esposti ad agenti chimici caustici. Nella maggior parte dei casi, ciò influisce sui requisiti della guaina esterna del cavo, mentre le caratteristiche elettriche rimangono invariate indipendentemente dal livello MICE 1 o MICE 3. Tuttavia, una differenza notevole viene riscontrata nei requisiti elettromagnetici, dove vengono indicati requisiti specifici per la misurazione TLC (Transverse Conversion Loss) per E1, E2 ed E3. Tale specifica misura la capacità del cavo di resistere alle interferenze dei segnali elettrici esterni come quelli generati da saldatori, unità a velocità variabile e alta tensione.
Particolare attenzione viene rivolta ai connettori, poiché possono rappresentare un punto di ingresso. Un approccio consiste nel rivestire il connettore modulare standard a 8 pin (RJ-45) con un connettore avvitabile sigillato che offre il vantaggio di essere compatibile con la maggior parte dei dispositivi e dei cavi Ethernet “normali”.
Problemi di Cablaggio
La rete Ethernet è una tecnologia robusta che consente la continuità delle comunicazioni anche in circostanze marginali ma una variazione di tali circostanze potrebbe causare problemi di comunicazione o un guasto completo. Di seguito vengono riportati i problemi più comuni riscontrati con i cavi.
Connettività
Il principale requisito di base per il cablaggio è che i pin su un’estremità siano collegati ai pin corretti sull’altra estremità. Qualsiasi errore di installazione del cavo o cortocircuito causa un errore di comunicazione. Un problema di cablaggio meno conosciuto è la cosiddetta “coppia divisa”, ovvero quando i pin sono collegati tramite quelli appropriati sull’altra estremità ma l’accoppiamento dei cavi non è corretto. Ciò può comportare guasti intermittenti o continuativi.
Lunghezza
In generale, i cavi Ethernet sono lunghi massimo 100 metri. I cavi troppo lunghi possono causare problemi in due modi. Innanzitutto, i segnali si indeboliscono quando viaggiano su un cavo; se è troppo lungo, potrebbero essere troppo deboli per essere ricevuti correttamente dall’altra parte. In secondo luogo, la rete Ethernet è progettata per aspettarsi risposte entro un determinato intervallo di tempo. Il ritardo causato da un cavo troppo lungo può interferire con tale tempistica. Uno di questi errori può comportare guasti definitivi o problemi intermittenti. Ad esempio, poiché la perdita di un cavoaumenta con la temperatura, un cavo troppo lungo potrebbe trasmettere in maniera accettabile a temperature inferiori ma non riuscirci a temperature più elevate.
Diafonia
E’ la misurazione dell’interferenza elettromagnetica tra coppie all’interno di un cavo. Ad esempio, un segnale trasmesso sulla coppia “di invio” potrebbe generare un segnale di interferenza sulla coppia ricevente. Il trasmettitore potrebbe interpretare tale interferenza come un segnale in ingresso e interrompere l’invio. Questo potrebbe quindi causare guasti intermittenti o continuativi. Così come le frequenze del segnale aumentano, così aumenta la diafonia, facendola diventare l’elemento determinante per definire prestazioni ottimali di un cavo di rete.
Integrità di schermatura
In molti cavi della rete Ethernet industriale è integrata una schermatura, in genere una lamina di metallo che riveste ogni coppia all’interno della guaina del cavo esterna. Lo scopo di tale schermatura è ridurre l’effetto dell’EMI (Electromagnetic Interference) esterna che può provenire da dispositivi ad alta tensione o ad alta corrente vicini al cavo. L’EMI può causare errori di trasmissione sul cavo, provocando rallentamenti o persino guasti completi. Affinché la schermatura funzioni in maniera efficace, è essenziale che il cavo sia schermato lungo l’intero percorso,
poiché persino una singola interruzione nella continuità della schermatura può ridurne sensibilmente le prestazioni. I test della schermatura devono pertanto riuscire ad assicurare che l’intero percorso del cavo sia schermato. Si tratta di una misurazione particolarmente difficile poiché in genere la schermatura è messa a terra.
Misurazione TLC (Transverse Conversion Loss)
E’ una misurazione della “simmetria” del cavo, ovvero della capacità di trasmettere segnali uguali su entrambi i cavi di una coppia. I cavi a doppino ritorto hanno un livello di immunità dal rumore alto poiché si basano sul differenziale tra segnali uguali ma opposti sui due cavi all’interno di una coppia. Se il cablaggio induce una diseguaglianza dei segnali, il rumore esterno può causare interferenze con i segnali e distorcerli al punto da non poter essere riconosciuti dal dispositivo ricevente. Come anticipato, i problemi EMI possono essere molto difficili da isolare e risolvere. Per risolvere questo problema, gli enti di standardizzazione hanno sviluppato requisiti TCL per i cavi negli ambienti MICE E1, E2 ed E3.
Test dei cavi = meno interruzioni
Le organizzazioni che dispongono degli strumenti appropriati per eseguire test sui cavi e che hanno una conoscenza di base del loro utilizzo possono sfruttarli per ottimizzare i tempi di attività in tre modi:
- Tempi di avvio più rapidi
- Prevenzione delle interruzioni impreviste
- Risoluzione più rapida dei problemi
In poche parole, se si testano i cavi durante l’installazione è possibile velocizzare il processo di avvio e prevenire problemi futuri. Avere un tester per cavi portatile in caso di guasto può far risparmiare ore in caso di risoluzione dei problemi e ridurre i tempi di inattività.
Strumenti per l’esecuzione di test sui cavi per la rete Ethernet industriale
Gli strumenti per l’esecuzione di test sui cavi possono essere suddivisi in due categorie: tester pre-installazione e strumenti per la risoluzione dei problemi.
Tester pre-installazione (certificazione)
Questi strumenti offrono test per tutti i parametri di cablaggio indicati sopra, tra cui diafonia, integrità di schermatura e TCL. La serie DSX CableAnalyzer è l’unico tester di cavi in grado di misurare tutti questi parametri, compresa l’integrità di schermatura lungo il percorso del cablaggio. Il tester genera un risultato PASS o FAIL ed è possibile creare un rapporto ai fini della documentazione. Eseguire test con uno strumento di certificazione prima dell’avvio è l’unico modo per sapere se il cavo soddisfa tutte le specifiche richieste di cui sopra ed è il modo migliore per prevenire problemi di cablaggio. Questi strumenti possono essere utilizzati anche per risolvere i problemi e riescono a individuare non solo interruzioni dei cavi ma anche problemi più difficili quali la presenza di acqua in un cavo o un connettore non conforme alla specifiche
Strumenti per la risoluzione dei problemi
Questi strumenti verificano che i cavi siano stati collegati correttamente (compresi test su coppie divise) e riescono a misurare la lunghezza del cavo e identificare la posizione
delle interruzioni dei cavi. Questo consente di risparmiare tantissimo tempo anche se il problema non è riconducibile al cavo, eliminando i cavi come causa del problema e consentendo ai tecnici di focalizzarsi sull’individuazione del problema reale.
