I test, un elemento essenziale per le prestazioni Industrial Ethernet

Christian Schillab, Application Engineer EMEA di Fluke, descrive l’importanza delle misure e dei collaudi per le prestazioni delle reti Ethernet industriali.
Ethernet sta diventando il vero e proprio sistema circolatorio dell’automazione industriale. Mentre i produttori adottano l’approccio previsto da Industry 4.0 e le tecnologie disponibili contribuiscono a migliorare l’efficienza della produzione, grazie a un controllo più intelligente e ai servizi cloud che supportano la manutenzione predittiva e sistemi caratterizzati da una maggiore rapidità di risposta, Ethernet fornisce il collegamento vitale tra i processi in tempo reale sulla linea di produzione e i sistemi preposti alla loro supervisione.
La diffusione dell’utilizzo di Ethernet in ambito industriale si tradurrà in una maggiore complessità in termini non solo di numero di macchine in grado di dialogare tra loro ma anche di gamma di dispositivi che necessitano di una connessione alla rete core (ovvero destinata al trasporto dei dati).  A esempio, i nodi di sensori intelligenti utilizzeranno connessioni wireless per comunicare attraverso gateway connessi a Ethernet al crescere del numero di applicazioni IIoT (Industrial Internet of Things).
La decisione di connettere più dispositivi e consentire il trasferimento di più informazioni tra di essi e il cloud favorirà l’uso l’uso di interfacce e switch di larghezza di banda più elevate nella dorsale (backbone) della rete di fabbrica, sfruttando gli standard Ethernet a 1 Gb/s e 10 Gb/s ora disponibili. L’uso di questi switch operanti a velocità più elevata contribuirà a ridurre i problemi causati dalla congestione. Una ricerca condotta da Indu-Sol, un fornitore di servizi di supporto di rete, ha evidenziato che numerose richieste di assistenza erano dovute a interruzioni della produzione riconducibili alla congestione tra gli switch, che causava la perdita di pacchetti (di dati) di fondamentale importanza.
Gestione degli aggiornamenti delle infrastrutture
Una questione fondamentale che deve essere affrontata da chiunque gestisca reti industriali è l’idoneità dell’infrastruttura esistente a fornire i nuovi servizi e a ospitare switch ad alta velocità. Quando uno switch è installato allo scopo di supportare velocità superiori al gigabit, il collegamento aggiornato potrebbe utilizzare doppini all’interno del cavo non adeguati allo scopo. La maggiore velocità di connessione darà quindi ben presto adito a problemi nel cablaggio esistente.
Le installazioni più datate possono utilizzare cavi Cat 3, adatti per velocità di 10 Mb/s. D’altra parte, i cavi Cat 5 sono ampiamente adottati da parecchi anni. Essi supportano velocità di trasmissione dati fino a 100Mb/s, che aumenta fino a 1Gb/s nel caso di cavi Cat 5e (Enhanced). I più recenti cavi Cat 6, introdotti all’inizio dell’ultimo decennio, sono in grado di supportare velocità di 10 Gb/s, sebbene su distanze limitate. Un cavo Cat 6A dovrebbe essere in grado di trasportare segnali a 10 Gb/s fino a 100 m, mentre per un cavo Cat 6 originale la distanza è poco superiore a 50 m.
La presenza di cavi di diverso tipo rappresenta un problema di notevole importanza per i tecnici che devono assicurare la connettività in ambiente industriale, in quanto è necessario accertarsi che una determinata tratta di rete sia in grado di supportare gli switch e i dispositivi aggiornati. La documentazione della rete potrebbe non essere completamente aggiornata e contenere inesattezze. Anche se si utilizza un cavo di categoria adatta, le sue prestazioni potrebbero essere state influenzate da errori di installazione e danneggiamenti successivi. Ciò potrebbe non influire sui dispositivi esistenti, ma darà origine a problemi quando si utilizzeranno connessioni a velocità più elevate.
Un cablaggio inadeguato dei cavi può causare eccessive interferenze da parte di apparecchiature elettriche ad alta tensione. Le prestazioni dei connettori per applicazioni di tipo office utilizzati in modo improprio potranno essere penalizzate da numerosi fattori ambientali –  come a esempio vibrazioni, eccessive escursioni di temperatura, umidità, attacco da parte di sostanze chimiche corrosive che si protraggono nel tempo – rispetto a quelle di analoghi dispositivi per applicazioni industriali.
Le riparazioni effettuate alle apparecchiature possono causare danni ai cavi o produrre una curvatura troppo accentuata per assicurare l’affidabilità della connessione.
Standard per verificare le prestazioni
La verifica dell’infrastruttura dei cavi è di vitale importanza, ma può essere difficile da implementare. Una tecnica comunemente adottata per collaudare le prestazioni dei collegamenti di cablaggio prevede di connettere i transceiver Ethernet a ciascuno dei cavi e quindi utilizzarne uno per inviare i dati nel cavo alla velocità desiderata al fine di verificare se raggiunge l’altra estremità senza errori. Questo test di trasmissione dimostra unicamente che questi transceiver specifici possono comunicare. Altre apparecchiature, caratterizzate da una minore tolleranza agli errori, una volta collegate al segmento di cavo possono dar luogo a malfunzionamenti senza fornire alcuna indicazione del motivo per cui l’evento si verifica. Ciò è dovuto al fatto che il test non valuta le prestazioni del cavo stesso.
Quando si utilizzano solamente i transceiver Ethernet per i test, sarà difficile distinguere tra problemi di prestazioni e problemi di continuità, in particolare nel caso di protocolli operanti a velocità più elevata. Un problema può essere rappresentato dal fatto che i singoli fili nel cavo sono stati cablati in maniera non corretta, sono rotti o più semplicemente non sono presenti. Una tecnica comunemente utilizzata per collaudare la continuità, utile anche per determinare quale cavo colleghi due punti terminali (endpoint), prevede l’uso di segnali audio inviati su singoli fili. Si tratta comunque di un test laborioso da effettuare e risulta molto dispendioso in termini di tempo quando le estremità del cavo sono distanti l’una dall’altra. In un contesto di questo tipo, sarebbe opportuno disporre di uno strumento in grado di commutare automaticamente da una coppia all’altra in sequenza senza dover apportare modifiche manuali alle estremità. In tal modo sarebbe possibile rilevare in tempi brevi situazioni quali a esempio la presenza di un cavo a due coppie laddove sarebbe richiesto un cavo a quattro coppie.
Un altro motivo per utilizzare strumenti dedicati per i test di continuità è che questi possono anche supportare ricerche relative al cablaggio. In molti casi, il numero di cablaggi effettuati è superiore rispetto a quello che viene effettivamente utilizzato per la comunicazione attiva. Queste linee di cavi aggiuntive potrebbero rivelarsi utili per gli aggiornamenti della rete, ma solamente nel caso in cui sia chiaramente identificata la posizione dei punti terminali e le modalità di collegamento. Alcuni tester per cavi prevedono l’uso di un tono digitale per indicare la connettività tra gli endpoint.
Quando i cavi non sono contrassegnati o i record successivi all’installazione non sono chiari, può essere difficile determinare se un percorso di cavi sia idoneo per il collegamento di switch aggiornati. Tuttavia, è possibile misurare direttamente le prestazioni adottando tecniche adeguate.
Come parte delle sue procedure di definizione degli standard, IEEE definisce misure raccomandate grazie alle quali sarà possibile stabilire se il cablaggio sarà affetto da rumore eccessivo e problemi di qualità che potrebbero portare alla perdita dei pacchetti. Queste misure analizzano caratteristiche come NEXT (Near-End Crosstalk), perdite di ritorno e perdite di inserzione. È possibile eseguire questi test utilizzando apparecchiature di collaudo generiche tipiche di un laboratorio, anche se la strumentazione progettata per le applicazioni di rete generalmente garantirà una configurazione e un’interpretazione più semplici dei risultati.
Test migliorati
La strumentazione dedicata prevede anche altre funzionalità pratiche finalizzate a semplificare l’esecuzione dei test. A esempio, un test importante utile in ambiente industriale è la verifica che la funzionalità PoE (Power over Ethernet) sia attiva in uno switch e operativa per ogni porta. Un approccio possibile è collegare un dispositivo all’altra estremità del cavo e determinare se stia ricevendo o meno potenza: un test di questo tipo comunque non indica necessariamente che lo switch non sia configurato per ricevere potenza, ma semplicemente che la criticità è dovuta a un problema di continuità. Un tester dedicato può utilizzare le funzionalità del protocollo principale per attivare il PoE e confermare che sia operativo, in un unico passaggio.
Nell’ambiente Industry 4.0 i test devono andare oltre i parametri del livello fisico (PHY). Per garantire una buona separazione tra il controllo in tempo reale e altri canali, i gestori di rete possono decidere di sfruttare le funzionalità VLAN (Virtual LAN) degli attuali switch e router. Tuttavia, le VLAN complicano il processo di test. Anche se possono essere collegate fisicamente e logicamente, uno switch trasferirà i dati solo tra le porte assegnate della stessa VLAN. Ciò complica la diagnosi degli errori di connessione in quanto l’hardware potrebbe funzionare in modo corretto, ma il software essere configurato in modo errato. Ciò richiede l’uso di apparecchiature in grado di comprendere le informazioni relative ai pacchetti VLAN nel momento in cui si esegue il collaudo del comportamento della rete. Per eseguire questi test è possibile utilizzare un software che gira su un laptop con una scheda di rete adatta. Tuttavia, possono essere difficili da configurare rispetto al semplice utilizzo di un tester dedicato con supporto VLAN.
Nel momento in cui l’attenzione è sempre più focalizzata sulle prestazioni della rete industriale, il ricorso a misure e test semplici ed efficaci assume un’importanza fondamentale.
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