Esistono molti modi per implementare il livello fisico. Le apparecchiature di rete offrono un'ampia gamma di opzioni di connettività. Alcune reti sono ben definite utilizzando il modello OSI, dove cavi, ponti, router industriali, server seriali, DTU e PC possono essere facilmente identificati. A volte ci sono solo alcuni dispositivi collegati tra loro attraverso una sorta di rete proprietaria, o un approccio a scatola nera in cui il servizio di rete è legato al dispositivo.
Il dispositivo di scambio dati seriale più comune è un server seriale, ovvero un dispositivo RS232, RS422 e RS485 utilizzato per collegare tra loro due o più dispositivi. Tutte e tre le interfacce utilizzano i termini apparecchiatura terminale di dati (DTE) e apparecchiatura di comunicazione dati (DCE). Un DTE è un componente che vuole comunicare con un altro componente, ad esempio un PC che comunica con un altro PC. Il DCE è il componente che comunica effettivamente o che svolge le funzioni di generatore e ricevitore descritte nello standard. I modem sono un esempio comune di DCE.
L'interfaccia tra DTE e DCE può essere classificata in base ad aspetti meccanici, elettrici, funzionali e di processo. Le specifiche meccaniche definiscono il tipo di connettore e il numero di pin. Le specifiche elettriche definiscono le tensioni di linea e le forme d'onda, nonché le modalità e gli effetti dei guasti. Le specifiche funzionali comprendono la temporizzazione, i dati, il controllo e la messa a terra dei segnali, nonché i pin funzionali da utilizzare. L'interfaccia del programma specifica come vengono scambiati i segnali.
L'RS485 è un altro metodo di trasmissione dati seriale. Ufficialmente è l'EIA 485, ovvero lo "Standard for Electrical Characteristics of Generators and Receivers Used in Balanced Digital Multipoint Systems" dell'Electronics Industry Association (EIA). Questo standard definisce un metodo per generare gli zeri come impulsi di tensione. Ricordate, per quanto riguarda l'elaborazione dei dati, il framing, il raggruppamento, l'instradamento e l'indirizzamento eseguiti dai livelli superiori, si tratta sempre di spingere 1 e 0 su un mezzo fisico.
La cosa importante da sapere sull'RS485 è che consente di utilizzare più ricevitori e generatori e che le caratteristiche del cavo sono specificate in termini di velocità e lunghezza della segnalazione. I cavi tipici sono coppie schermate di fili di rame intrecciati, sufficienti per velocità di segnalazione tipiche di 10 milioni di bit al secondo (Mbps). Questo standard definisce solo le caratteristiche elettriche della forma d'onda. Si noti che l'RS485 non specifica alcuna capacità di controllo dei media, che dipende esclusivamente dal dispositivo (di solito un chip) collegato al generatore. L'RS-485 funziona in genere con cavi di lunghezza fino a 2.000 piedi.
Un esempio di rete seriale semplice potrebbe essere una serie di logger collegati tramite un collegamento RS-485 a un PC che riceve i dati raccolti da ciascun logger. Il produttore vende una scheda plug-in che viene installata in ogni videoregistratore e viene fornita con le istruzioni per il cablaggio. Ogni scheda di rete è collegata ad altri cavi di rete attraverso una serie di cavi schermati a coppie attorcigliate, che terminano con una scheda di interfaccia di rete nel PC. A parte la conoscenza dei limiti dell'RS-485 (distanza, schermatura, velocità di trasmissione dei dati ecc.), non è necessario conoscere e comprendere i livelli di rete in questa configurazione.
Lo standard RS422 è il TIA/EIA 422 B, "Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits", sviluppato dalla Telecommunications Industry Association (in collaborazione con l'EIA). È simile all'RS485; la differenza principale è il tempo di salita e le caratteristiche di tensione della forma d'onda. L'RS422 consente in genere lunghezze di cavo fino a 1,2 chilometri e fino a 100.000 bit al secondo (kbps). A 10 milioni di bps (Mbps), la lunghezza del cavo è limitata a circa 10 metri (Figura 4-3). In presenza di sbilanciamento del cavo o di elevati livelli di rumore di modo comune, la lunghezza del cavo può essere ulteriormente ridotta per mantenere la velocità di segnalazione desiderata.
La RS232C è probabilmente la forma più comune di scambio di dati seriali. Il TIA, sempre con l'EIA, la chiama ufficialmente EIA/TIA 232 E, "Interfaccia tra apparecchiature terminali di dati e apparecchiature di terminazione di circuiti di dati che utilizzano lo scambio di dati binari". Il suffisso "E" indica una versione superiore a quella ordinaria "C". Questo standard si differenzia da RS422 e RS485 in quanto definisce sia un'interfaccia meccanica che un'interfaccia elettrica.
La RS232 è adatta a velocità di segnalazione fino a 20 kbps e a distanze fino a 15 metri. Gli zeri (spazi) e gli uni (segni) sono misurati in base alla differenza di tensione dal comune del segnale (3 V dc = 0, -3 V dc = 1). Le interfacce meccaniche più comuni sono i connettori D-sub 9 e D-sub 25.
I circuiti di commutazione (pin) nei dispositivi RS232 si dividono in quattro categorie: comune del segnale, circuito dei dati (dati inviati, dati ricevuti), circuito di controllo (cioè, richiesta di invio, autorizzazione all'invio, DCE pronto, DTE pronto) e circuito di temporizzazione.
I suddetti standard sono tutti utilizzati in schemi di comunicazione seriale progettati per distanze maggiori. Esiste un'interfaccia parallela universale chiamata General Purpose Interface Bus (GPIB) o IEEE-488. Può interconnettere fino a 15 dispositivi, in genere personal computer e apparecchiature scientifiche. Offre un'elevata velocità di segnalazione dei dati, fino a 1 Mbps, ma ha una lunghezza limitata. La lunghezza totale consentita del bus è di 20 metri e la distanza tra i dispositivi non supera i 4 metri.
Il bus IEEE-488 è un'interfaccia parallela multipunto con 24 linee accessibili a tutti i dispositivi. Queste linee sono suddivise in linee dati, linee di handshake, linee di gestione del bus e linee di terra. La comunicazione è digitale e i messaggi vengono inviati un byte alla volta. Il connettore è a 24 pin; i dispositivi sul bus utilizzano connettori femmina, mentre i cavi di interconnessione hanno connettori maschi corrispondenti. Un cavo tipico è dotato di connettori maschio e femmina per consentire il collegamento a margherita tra i dispositivi.
Un esempio di implementazione IEEE-488 è un sistema di misura progettato per valutare le prestazioni delle celle di campionamento chimico. Il serbatoio esegue il condizionamento del campione (controllo della pressione, del flusso e della temperatura) e l'analisi chimica (pH, ossigeno disciolto e conducibilità) dei campioni d'acqua. Il serbatoio ospita il sensore di pressione, il rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), la termocoppia e la giunzione di riferimento. Uno scanner a 30 punti viene utilizzato per multiplexare i dati di tutti i sensori. Lo scanner si collega a un computer desktop o portatile mediante un'interfaccia GPIB. In base alla norma IEEE- 488, i dati possono essere acquisiti, memorizzati, visualizzati e ridotti in modo efficiente e affidabile utilizzando le applicazioni del PC.
Il mezzo utilizzato per implementare il livello fisico è solitamente un insieme di cavi di rame. Il cavo UTP (Unshielded Twisted Pair) è il più conveniente. È leggero, facile da tirare, facile da terminare e occupa meno spazio in vaschetta rispetto al doppino schermato (STP). Tuttavia, è più suscettibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI).
L'STP è più pesante e più difficile da produrre, ma può aumentare notevolmente la velocità di segnalazione in un determinato schema di trasmissione. La torsione annulla il campo magnetico e il flusso di corrente su una coppia di conduttori. I campi magnetici si generano intorno ad altri conduttori che trasportano grandi correnti e intorno a grandi motori elettrici. Sono disponibili vari tipi di cavi di rame, di cui il grado 5 è il migliore e il più costoso. I cavi di rame di classe 5, adatti alle applicazioni a 100 Mbps, presentano un numero maggiore di torsioni per pollice rispetto ai cavi di rame di classe inferiore. Un maggior numero di torsioni per pollice significa un maggior numero di metri lineari di filo di rame utilizzati per realizzare una tratta di cavo, e più rame significa più denaro.
La schermatura consente di riflettere o assorbire i campi elettrici che circondano il cavo. La schermatura si presenta in molte forme, dalla treccia o rete di rame al nastro di Mylar alluminizzato avvolto intorno a ciascun conduttore, fino alle coppie ritorte.
Poiché le applicazioni degli utenti richiedono larghezze di banda sempre maggiori, la fibra ottica è sempre più utilizzata. Il termine "larghezza di banda" si riferisce tecnicamente alla differenza tra le frequenze più alte e più basse di un canale di trasmissione, misurata in Hertz (Hz). Più comunemente, rappresenta la capacità o la quantità di dati che possono essere inviati su un determinato circuito.
La larghezza di banda standard del cavo in fibra ottica è di 100 Mbps. Quando è stata introdotta, la fibra ottica era considerata solo per applicazioni speciali, perché era costosa e difficile da usare. Negli ultimi anni, la ricerca di una maggiore larghezza di banda combinata con una fibra ottica più facile da usare l'ha resa più comune. Vengono forniti strumenti e formazione per l'installazione e la risoluzione dei problemi della fibra ottica.
Esistono tre tipi fondamentali di cavi in fibra ottica: multimodale con indicizzazione a gradini, multimodale con indicizzazione graduata e monomodale. La fibra multimodale è tipicamente pilotata da LED alle due estremità del cavo, mentre la fibra monomodale è tipicamente pilotata da un laser. La fibra monomodale può raggiungere larghezze di banda maggiori rispetto alla fibra multimodale, ma è più sottile (10 micron) e fisicamente più debole della fibra multimodale. Le apparecchiature per trasmettere e ricevere i segnali in fibra ottica monomodale costano molto di più (almeno quattro volte) rispetto ai segnali multimodali.
Un chiaro vantaggio dei cavi in fibra ottica è l'immunità al rumore. Sebbene si debbano rispettare le classificazioni antincendio, i cavi in fibra ottica possono essere fatti passare impunemente attraverso aree ad alta rumorosità. I cavi che attraversano più spazi all'interno di una fabbrica devono essere conformi alle classificazioni dei sistemi di ventilazione antincendio/ventilazione/condizionamento (HVAC) della National Fire Protection Association (NFPA).
Parole chiave: Terminale di trasmissione dati Ethernet industriale
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