Fino all ultimo cavo Creazione di un infrastruttura di rete Ethernet resiliente A cura di Andy Banathy, Solution Architect, Panduit Corporate

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1 Fino all ultimo cavo Creazione di un infrastruttura di rete Ethernet resiliente A cura di Andy Banathy, Solution Architect, Panduit Corporate Il concetto di IoT, Internet of Things (letteralmente l Internet delle cose) coinvolge i dispositivi di uso comune, ad esempio, gli smartphone, i tablet o le videocamere, dotati di tecnologie che ne permettono l interazione in una varietà di nuovi modi. Inoltre, la tendenza IoT si estende ben al di là dell area di produzione al fine di connettere la tecnologia delle operations (OT) ai sistemi di tecnologia delle informazioni (IT), aprendo così la strada a una serie di nuove applicazioni e all ulteriore ottimizzazione di quelle esistenti. Queste nuove capacità sono supportate da una rete Ethernet standard, che, sempre più, viene adottata negli impianti di produzione, al momento della migrazione dalle reti proprietarie. Si prevede che, entro il 2022, la rivoluzione IoT genererà opportunità commerciali estremamente interessanti, in modo particolare nel mercato dell automazione industriale. Secondo quanto affermato da Industrial-IP.org, il valore prodotto si aggirerebbe intorno a 3,88 miliardi di dollari per il settore produttivo, con possibilità di forti speculazioni, laddove l infrastruttura di rete fisica riesca a supportare l ingente flusso di dati generato dall IoT. Affinché una rete sia realmente affidabile, è essenziale che la relativa progettazione e il cablaggio strutturato a supporto, siano ottimali. Sulla base delle stime condotte da Gartner, il costo medio di un downtime di rete è pari a dollari al minuto, ovvero ben oltre dollari ogni ora. Le ripercussioni del downtime sono note alle aziende manifatturiere e, oltre ai costi diretti, connessi ai tempi di inattività delle macchine dovuti alle interruzioni della rete, possono sussistere problemi anche quando le macchine sono pienamente operative. Sebbene un impianto sia in grado di produrre merce, è possibile che la capacità di vendita o di spedizione dell azienda risulti insoddisfacente a causa di carenze in termini di controllo qualità della documentazione elettronica, monitoraggio e tracciabilità della serializzazione dei prodotti, gestione dell inventario, nonché dei dati relativi alla conformità normativa. Per ottenere risultati ottimali, è necessario che le applicazioni aziendali, il software dell impianto produttivo, le app per il controllo qualità e la gestione delle risorse, le funzionalità di analisi predittiva e i sistemi di protezione antivirus si basino su una rete robusta e affidabile. Infine, cosa ancor più importante, tale rete non dovrà essere composta semplicemente dai protocolli di comunicazione.

2 Spesso, la rete fisica effettiva (cavi, i connettori, cavi, armadi e pannelli) viene trascurata. Presto, i sistemi hardware esistenti, che hanno resistito per decenni alla prova del tempo, non potranno reggere il carico di lavoro generato dai nuovi dispositivi connessi dell era IoT. Con la standardizzazione della linea Ethernet nell intera organizzazione, le aziende manifatturiere mirano a creare la sincronizzazione fra impianto di produzione e azienda, per ottenerne la visibilità completa, ottimizzando in questo modo efficienza e produttività. Tuttavia, i direttori degli stabilimenti temono che l upgrade della rete Ethernet possa influire negativamente sulle configurazioni di rete proprietarie esistenti. Pertanto, è fondamentale che ciascun CIO, direttore di stabilimento e integratore di sistemi valuti ogni singolo componente di rete, dai protocolli di comunicazione fino ai cavi, e definisca in modo proattivo le esigenze future dell azienda in prospettiva dell espansione o dell aggiornamento dell infrastruttura di rete esistente. Il nuovo modello di produzione Le tecnologie rivoluzionarie odierne impongono alle aziende di reinventarsi. Dalla proliferazione dell IoT fino alla globalizzazione della produzione, l attenzione è posta sull abbattimento dei costi e sull espansione in nuovi mercati. Le più importanti aziende manifatturiere a livello mondiale rivolgono sempre più lo sguardo all affidabilità e alla resilienza della rete e, di conseguenza, alle soluzioni di gestione della rete stessa. Ai fini del backup, vengono creati percorsi di rete ridondanti, combinati all impostazione di una strategia di cablaggio, per garantire l ottimizzazione della velocità di trasferimento dati nella rete dell impianto produttivo. In sintesi, il documento Progettazione di una rete best-in-class tocca tutti gli aspetti che vanno a comporre l infrastruttura, fino all ultimo cavo. Dimostrarsi lungimiranti in merito all infrastruttura fisica offre vantaggi notevoli, afferma Andy Banathy, Solution Architect presso Panduit. L implementazione dei supporti corretti consente di evitare i problemi di prestazioni e ridurre al minimo gli ingenti costi di aggiornamento. Nelle fasi avanzate, quando la rete è già implementata, correggere eventuali problemi ed errori comporta costi notevoli, dichiara Banathy. Sulla base della mia esperienza personale, posso affermare che, a fronte di una spesa di 10 dollari in fase di pianificazione, la correzione sul campo può raggiungere un costo di dollari. Per rendere la rete affidabile e resiliente, le società definiscono progettazioni fisiche e standard globali. Tuttavia, prima di procedere, devono eseguire un analisi dettagliata dell ambiente in uso, anche nota come valutazione dell ambiente.

3 Automazione industriale - Fasi di valutazione Al fine di determinare i requisiti di cablaggio e larghezza di banda, le aziende manifatturiere devono attenersi ai passaggi riportati di seguito: - Numero di dispositivi Ethernet Innanzitutto, è necessario stimare il numero di dispositivi Ethernet che richiedono la connettività, non solo nel presente, bensì su una scala temporale di anni. Questi dispositivi possono includere macchine, sensori, videocamere, controller, unità e switch. - Rischi ambientali Successivamente, è necessario valutare i rischi ambientali connessi all infrastruttura. Ad esempio, le condizioni caustiche e con umidità elevata possono danneggiare il materiale delle guaine dei cavi, mentre interferenze elettromagnetiche elevate potrebbero provocare il deterioramento dei cavi in rame. In fase di valutazione, è necessario anche individuare eventuali ostruzioni all instradamento dei cavi e ottimizzarne la lunghezza del percorso. Per ulteriori informazioni, fare riferimento alla normativa TIA-1005-A. - Larghezza di banda Una volta valutati i rischi ambientali, si dovrà esaminare il flusso di traffico per definire le esigenze della larghezza di banda. Esaminare tutti i dispositivi che verranno utilizzati e valutarne i requisiti di output per i dati, il controllo, i video e VoIP. - Downtime Per progettare la rete in modo adeguato, è importante determinare il costo del downtime al fine di comprendere la portata dell investimento da effettuare nella rete. Se i costi di downtime sono elevati, in fase di progettazione è necessario prestare attenzione particolare alla resilienza, alla protezione dei cavi e ai percorsi degli stessi. - Sicurezza La rete industriale non è un isola. Nell ambito della valutazione, le aziende manifatturiere devono stabilire le modalità di connessione alla rete aziendale, che dovrà disporre di requisiti di protezione più rigidi a causa del numero di attacchi alla sicurezza della rete IT. Se la rete IT aziendale e la rete dell impianto convergono, un hacker potrebbe compromettere la capacità produttiva della società. Pertanto, durante la convergenza fra rete IT e rete dell impianto produttivo, è importante attenersi alle best practice per la creazione di uno schema di sicurezza pressoché inviolabile. Tale schema di protezione avanzato dovrà comprendere tutti i componenti, dai protocolli fino alla sicurezza delle porte fisiche.

4 L impianto di produzione connesso Da sempre, l impianto di produzione e l azienda sono gestiti separatamente. Tuttavia, le dinamiche mutevoli del mercato odierno, fra cui le crescenti aspettative di produzione just-intime, scalabilità e visibilità delle operations, impongono alle società di collegare queste due reti distinte. Rockwell Automation e Cisco hanno sviluppato un modello di architettura capace di unire in tutta sicurezza le due reti Ethernet conformi agli standard. Questo modello, denominato Converged Plant-wide Ethernet (CPwE), è costituito da una serie di best practice per la generazione di una architettura di rete logica che si estenda al layer fisico. Architettura Converged Plant-wide Ethernet (CPwE) Questa architettura impiega le reti VLAN per segmentare in modo efficiente il traffico dell infrastruttura di rete nei layer 2 e 3. Tuttavia, tutto il traffico dell impianto risiede al di sotto del layer DMZ (zona demilitarizzata), mentre i dati richiesti dall area aziendale sono accessibili mediante un server posizionato all interno della zona DMZ, al fine di evitare il trasferimento diretto del traffico fra i sistemi di elaborazione dell impianto di produzione e l azienda. Questo tipo di impostazione permette alla rete IT e alla rete OT di condividere i dati, rimanendo tuttavia isolate l una dall altra, cosicché, in caso di violazioni o attacchi di virus alla rete aziendale, l ambiente di produzione rimanga protetto. Oltre all aspetto della sicurezza, nel modello CPwE vengono considerate anche le esigenze di espansione futura, pianificata e non, della rete. Grazie alla graduale espansione della rete Ethernet nell impianto di produzione e mediante la definizione di un architettura unificata per la gestione di tutte le connessioni di rete e il controllo del traffico, gli impianti dotati di reti fisiche ben strutturate e pianificate potranno ottimizzare l efficienza operativa globale, la produttività e la flessibilità. Per ulteriori informazioni, fare riferimento alla guida Panduit Industrial Ethernet Physical Infrastructure Reference Architecture Design Guide. La rete industriale del futuro Fino ad oggi, le reti industriali sono state impostate con una configurazione Point to Point, in cui un unico cavo viene collegato ai vari connettori (ad es., una bretella di connessione). Il cablaggio strutturato sta man mano sostituendo questa prassi, poiché fornisce un infrastruttura più solida e sostenibile, capace di semplificare maggiormente la risoluzione dei problemi e la crescita, due fattori di vitale importanza per l ambiente di produzione. Tuttavia, a seconda dell implementazione impiegata, entrambi questi approcci presentano alcuni pro e contro. La configurazione Point to Point si dimostra la soluzione ideale per percorsi cavi brevi, in applicazioni su scala ridotta. Inoltre, è necessario tenere presente che le attività di terminazione dei connettori potrebbero risultare complesse. È necessario poi valutare se utilizzare cavi solidi o flessibili. Con i cavi flessibili, la distanza dovrà essere ridotta poiché l attenuazione è maggiore. Tuttavia, è necessario ricordare che i cavi conduttori solidi possono rompersi a causa della scarsa flessibilità. Cosa ancor più importante, i cavi Point to Point, a lunghezza fissa non possono essere estesi o riconfigurati in base alle necessità, come avviene in un approccio strutturato dotato di pannelli di permutazione. Infine, alcune attrezzature di test della rete non verificano le connessioni al tester, pertanto non consentono di collaudare l intero canale trasmissivo.

5 Esempio di un cablaggio Point-to-Point Per i percorsi cavi più lunghi o d importanza critica, ad esempio per i quadri di connessione, le macchine, l attrezzatura di test e le videocamere, è preferibile implementare il cablaggio strutturato, poiché consente una risoluzione dei problemi più rapida, nonché una maggiore testabilità, crescita e affidabilità. L impiego di connettività attraverso componenti quali bretelle di connessione, connettori e la realizzazione di cablaggi orizzontali consente lo sviluppo di una piattaforma di trasmissione dati ottimizzata. Inoltre, la terminazione di un cavo orizzontale in un connettore RJ45 è più facile e rapida rispetto all esecuzione della terminazione su semplice plug. Installando il cablaggio di rete per la creazione di canali di rete sostitutivi, destinati all espansione, i tecnici potranno connettersi a canali diversi per l aggiunta di eventuali attrezzature o nel caso di guasti al cablaggio di rete stesso. Esempio di un cablaggio strutturato in rame Sebbene l attenzione sia posta sulla resilienza del canale, il valore offerto dal cablaggio strutturato è dato dall approccio sistematico impiegato per la pianificazione e l implementazione del cablaggio, nonché per la gestione dei cavi, basata sulla normativa per l infrastruttura delle telecomunicazioni negli impianti industriali (TIA-1005-A). Selezione dei componenti La scelta del supporto cavi adeguato dipende dalla copertura del cavo, dalle condizioni ambientali, dall interferenza elettrica, dalla larghezza di banda e infine dalla convergenza dello switch. Ad esempio, un canale per cavi in rame copre una distanza di 100 m, mentre un solo cavo in fibra ottica monomodale consente la trasmissione a svariati chilometri di distanza, a seconda del ricetrasmettitore selezionato. Si tenga inoltre presente che in ambienti umidi, oleosi o con agenti corrosivi, le guaine dei cavi dati si deteriorano. È possibile ricorrere a una varietà di guaine di protezione dei cavi esterne, ad esempio in poliuretano, in policloruro di vinile (PVC) e in elastomero termoplastico (TPE), che offrono livelli di protezione variabili. La protezione cavi più resistente è quella in poliuretano. Infatti, è antirottura e antiabrasione ed è resistente ad agenti più corrosivi, quali olio, radiazioni, muffe, ossidazione e ozono. Oltre alla guaina esterna, per sopprimere il disturbo elettrico è possibile utilizzare una lamina o una treccia metallica.tuttavia, la soluzione migliore per eliminare i problemi causati dal disturbo elettrico è l utilizzo della fibra ottica. Un altro aspetto da considerare riguarda la larghezza di banda, in modo particolare, per i componenti che utilizzano un numero elevato di dati, come i link Inter-Switch-Link (ISL) e le videocamere. È possibile che la larghezza di banda richieda l impiego di rame di categoria superiore, ad esempio della categoria 6, con la probabile aggiunta di fibra monomodale o multimodale, che consente di trasmettere fino a 10 GB/s. I tempi di ripristino per un interruzione di rete influiscono sul downtime dell area di produzione. E possibile ridurre al minimo questi tempi, tramite l utilizzo di un cavo in fibra ottica per link ISL (Interswitch links), in una configurazione ad anello o a stella ridondante, è possibile ridurre al minimo questi tempi. Grazie alla fibra, gli switch rilevano la perdita di segnale più rapidamente rispetto alle interfacce in rame e, di conseguenza, riescono a ripristinare le comunicazioni in tempi più brevi. Il rame può dimostrarsi adatto per le reti meno strutturate e di dimensioni ridotte, tuttavia è consigliabile confrontare sempre i tempi di ripristino causati dai guasti di rete con i costi del downtime.

6 Mappatura dei requisiti di rete A questo punto, la valutazione della rete è stata completata, è stata fissata la relativa topologia, è stata decisa la collocazione del Point-to-Point e sono stati definiti i tipi di cavo da utilizzare e i relativi componenti di rete. È il momento di progettare e implementare l infrastruttura, iniziando dalla bozza dell impianto al fine di sovrapporre l architettura di rete logica al layer fisico. Esempio di un layout di cablaggio industriale Grazie all utilizzo di un diagramma visivo della rete, prima dell implementazione, è possibile intraprendere decisioni in merito all instradamento e all impatto ambientale sull infrastruttura cablata. Lo standard ISO/IEC offre una metodologia di valutazione ambientale, denominata M.I.C.E, in cui vengono analizzati quattro fattori di disturbo: meccanico, di ingresso, climatico ed elettromagnetico. Impiegando una protezione per la guaina dei cavi adeguata e una schermatura per la soppressione del rumore elettrico, è possibile ridurre i disturbi M.I.C.E. Durante la valutazione, la progettazione e l implementazione dell infrastruttura fisica, è necessario tenere presente quanto segue: - Configurazioni conformi agli standard (dalle norme di cablaggio TIA fino agli standard EtherNet/IP) - Metodi di cablaggio (ad es., strutturato rispetto a Point to Point) - Topologia della rete per la scelta delle apparecchiature o componenti - Fibra ottica o cablaggio in rame - Protezione cavi e schermatura adeguate in ambienti ostili L infrastruttura conta Se si esegue un approccio sistematico mediante una metodologia conforme agli standard, è possibile rendere l infrastruttura cablata scalabile, in modo tale da supportare la crescita della rete logica e fisica e adattarsi alle variazioni di un settore altamente dinamico. La continuità di trasmissione dei dati dipende dai componenti della rete, dal rivestimento adeguato dei cavi e dalla topologia dell impianto. Inoltre, avvalendosi delle migliori pratiche e delle tecniche certificate definite dal fornitore della tecnologia impiegata, è possibile eseguire un installazione efficiente e a basso costo. La rete deve resistere alla prova del tempo, pianificatela adeguatamente da subito. Andy Banathy, Solution Architect, Panduit Corporate Per informazioni: