Dispense del modulo "Reti di fabbrica e impianti aziendali" (appunti

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Programma operativo Regione Lombardia/Ministero del Lavoro/Fondo Sociale Europeo, Obiettivo 3 Misura C.3
Progetto ID 88966 “Moduli e contenuti professionalizzanti inseriti nei corsi di laurea e diplomi universitari
dell’Università degli studi di Brescia”
Azione ID 89066
“Formazione teorica nell'ambito di moduli professionalizzanti orientati
all'Informatica del terzo anno di corso di Laurea in Ingegneria
dell'Informazione ”
Insegnamento a supporto del quale si svolge l’azione formativa integrativa:
Impianti informatici
Modulo “Reti di fabbrica e impianti aziendali”
Dispense del modulo "Reti di fabbrica e impianti
aziendali"
(appunti e trasparenze proiettate)
Università degli Studi di
Brescia
Reti di fabbrica
Corso di Impianti Informatici - Università degli Studi di Brescia
Finazzi Roberto
1. La filosofia CIM (Computer Integrated Manufactoring)
1.1 Introduzione al CIM (Computer Integrated Manufacturing)
1.2 La filosofia CIM applicata ai reparti di produzione
1.3 Attuatori e trasduttori
1.4 Controllori
1.5 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)
1.6 ERP (Enterprise Resource Planning)
1.7 MES (Manufactoring Execution Systems)
1.8 La comunicazione in ambito CIM
1.9 Cosa offre il mercato
1.10 Un semplice caso pratico
2. I bus di campo
2.1 Il modello di riferimento OSI
2.2 Caratteristiche dei fieldbus
2.3 Criteri di selezione
2.4 Il livello fisico
2.4.1 Mezzi di trasmissione
2.4.2 Protocollo RS-232-C
2.4.3 Protocollo RS-422
2.5 Fieldbus con assegnazione decentralizzata e accesso al bus di tipo
deterministico
2.5.1 Profibus (PROcess Field BUS)
2.5.2 Profibus DP (PROFIBUS Dezentrale Pheripherie)
2.5.3 Profibus PA (PROFIBUS Process Automation)
2.5.4 P-NET
2.6 Fieldbus con assegnazione decentralizzata e accesso al bus di tipo
casuale
2.6.1 CAN (Controller Area Network)
2.6.2 LON (Local Operating Network)
2.7 Fieldbus con assegnazione centralizzata e topologia lineare
2.7.1 ASI (Actuator Sensor Interface)
2.7.2 FIP (Factory Instrumentation Protocol)
2.8 Fieldbus con assegnazione centralizzata e topologia ad anello
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.8.1 INTERBUS-S
2.8.2 SERCOS (SErial Real time COmmunication System)
3. I bus di processo
3.1 Caratteristiche dei bus di processo
3.2 Bus di processo aperti
3.2.1 Modbus
3.2.2 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)
3.3 Il futuro dei bus di processo
4. I bus per la building automation
4.1 Lonworks
4.2 EIB (European Installation Bus)
5. Esempi e casi pratici
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.1 Introduzione al CIM (Computer Integrated
Manufacturing)
• La filosofia CIM punta a creare una fabbrica intelligente
completamente automatizzata.
• SCOPO: produzione del prodotto nella giusta quantità, con la
qualità richiesta e al momento giusto.
• OBIETTIVI: qualità (tracciabilità e controllo), flessibilità,
riduzione di costi, riduzioni di scorte, riduzione dei tempi di
produzione, ...
• MEZZI: Utilizzo di varie tecnologie (CAD, CAM,...)
strettamente integrate.
• SUDDIVISIONE GERARCHICA: Azienda, fabbrica, reparto e
isola.
• Da una struttura concentrata a una struttura distribuita.
• Integrazione: comunicazione integrata ed efficiente a tutti i
livelli.
1- La filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing)
1.5
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.2 La filosofia CIM applicata ai reparti di
produzione
Direzione
societaria/finanziaria
Direzione di
fabbrica
Direzione di
fabbrica
Direzione di
reparto
Direzione di
reparto
Direzione di
isola
Direzione di
isola
Controllo di
macchina
Controllo di
macchina
Sensori
Sensori
Attuatori
Attuatori
1.6
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Livello
di
servizio
(ERP-MES,...)
Livello di
controllo o
di reparto (SCADA,
ERP/MES,...)
Livello di sistema o di isola
(PLC, IPC+SCADA,...)
Livello dei controllori (PLC, CNC,
IPC+RTOS,...)
Livello trasduttori e attuatori (finecorsa,
pressostati, termometri, spie, relè, motori,...)
1.7
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.3 Attuatori e trasduttori
• Attuatori: dispositivi di uscita al controllore che agiscono sul
sistema sotto controllo. Possono essere digitali (spie, relè,
motori, valvole, ...) o analogici (regolatore di temperatura,
regolatore di velocità per motori, ...).
• Trasduttori: dispositivi di ingresso al controllore che rilevano lo
stato del sistema sotto controllo. Possono essere digitali
(finecorsa, fotocellule, pulsanti, ...) o analogici (termoresistenze,
termocoppie, potenziometri, ...).
1.8
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.4 Controllori
• Dispositivi programmabili in grado di svolgere azioni di controllo
su un sistema. Sono dotati di ingressi, per rilevare lo stato del
sistema, e uscite, per agire sul sistema stesso.
• Scheda custom a microprocessore: dispositivo appositamente
creato per svolgere una precisa funzione di controllo. Poco
costoso ma poco flessibile. A volte non è programmabile ma solo
configurabile.
• PLC (Programmable Logic Controller): dispositivo di controllo
general purpose con struttura modulare. Firmware built-in e
programma applicativo scritto con linguaggi semplici, adatti per
funzioni combinatorie (logica a relè). Disponibilità di moduli
“intelligenti” per funzioni complesse (regolazione PID veloce,
conteggio encoder, ...).
• CNC (Controllo Numerico Computerizzato): dispositivo di
controllo appositamente studiato per la gestione di macchine
multiasse con movimenti interpolati (frese, torni, ...). Programma
utente con cui definire direttamente la traiettoria e la velocità
dell’utensile, generabile automaticamente da CAD/CAM.
• IPC (Industrial Personal Computer): dispositivo di controllo
basata su tecnologia propria dei PC ma strutturato per poter
operare in ambiente industriale (SSD, IP6x, ...). Utilizza RTOS
(RTLinux, QNX, WxWorks, ...) oppure comuni SO se utilizzato
solo per applicazioni HMI (Human Machine Interface).
1.9
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.5 SCADA (Supervisory Control And Data
Acquisition)
• Sistema che consente di acquisire dati, monitorizzare e
controllare processi remoti, distribuiti nello spazio, da una
postazione centralizzata. E’ costituito dall’host system (IPC o
PC) e un’applicativo sviluppato mediante appositi pacchetti
commerciali di tipo visuale.
• Sono possibili configurazioni client-server soprattutto per
l’accesso alle basi dati comuni.
• Comunicazione verso il basso (controllori) e verso l’alto (sistema
informativo aziendale).
• Funzionalità dei pacchetti di sviluppo: driver di comunicazione,
semplice implementazione dell’interfaccia operatore, gestione
password per controllo accessi, accesso a DB standard, gestione
messaggi e anomalie, raccolta e memorizzazione real time dei
dati dal campo, gestione trend e grafici SPC, gestione storici,
impostazione parametri di processo tramite ricette, tracciabilità
dei prodotti, ambiente di programmazione a basso livello per
implementazione di funzioni custom, ...
1.10
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.6 ERP (Enterprise Resource Planning)
• Sistema applicativo gestionale che riunifica la visione e la
gestione di tutte le attività di un’impresa realizzando una totale
integrazione di tutti i processi di business.
• Non solo aspetto amministrativo/finanziario ma anche reporting
(per rapide e corrette scelte manageriali), pianificazione,
produzione, manutenzione impianti, logistica, gestione della
qualità, ...
• Possibilità di un feedback in tempo reale con la produzione
(sistemi SCADA sottostanti) per reperire input per modelli
matematici utili per effettuare proiezioni temporali.
1.7 MES (Manufactoring Execution Systems)
• Sistema applicativo gestionale che si focalizza sulle informazioni
che consentono l’ottimizzazione delle attività produttive,
dall’ordine al prodotto finito.
• Molte volte è un modulo aggiuntivo del sistema ERP.
• Si occupa di assegnare e monitorizzare lo stato delle risorse, il
tracking in tempo reale del prodotto, la gestione della
manutenzione degli impianti, l’analisi delle prestazioni, la
gestione della manodopera, ...
1.11
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.8 La comunicazione in ambito CIM
+
Quantità
dati
+
inform.
Livello
di
servizio
(ERP-MES,...)
BUS di
fabbrica
Livello di
controllo o di
reparto (SCADA,
ERP/MES,...)
Livello di sistema o
di isola (PLC,
IPC+SCADA,...)
Livello dei controllori
(PLC, CNC,
IPC+RTOS,...)
Livello trasduttori e attuatori
(finecorsa, pressostati,
termometri, spie, relè,
motori,...)
+
vincoli
tempo
+
dati
+
componenti
1.12
BUS di
processo
BUS
di
campo
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.9 Cosa offre il mercato
• Fieldbus, bus di processo e bus di fabbrica aperti, regolati da
comitati di normazione e organismi internazionali in grado di
testare e certificare la compatibilità delle apparecchiature
all’installazione sui bus. Concetto di bus “vendor independent”.
• Attuatori e trasduttori “intelligenti” con collegamento diretto al
fieldbus.
• I RIO (remote I/O).
• PLC con collegamento e gestione dei fieldbus integrati o tramite
moduli intelligenti.
• Schede PC “intelligenti” per l’interfacciamento diretto degli
SCADA ai fieldbus e ai bus di processo.
• Facile configurazione dei bus master per mezzo di file standard
di configurazione predisposti dai costruttori degli slave.
1.13
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
1.10 Un semplice caso pratico
Internet
Server
(DBMS,
...)
Supervis.
semplice
direzione
PC
PC
LAN
OP
serbatoi
SCADA
guardiano
OP
reattori
Bus MPI
PLC 1
Serbatoi-Reattori
SCADA
reparto
Modbus RTU
PLC 2
Serbatoi-Reattori
PLC 3
Gruppo acque
Bus ASI
I/O
diretti
I/O
ASI
I/O
diretti
I/O
diretti
1.14
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.1 Il modello di riferimento OSI
Livello 7
Application
Livello 6
Presentation
Livello 5
Session
Livello 4
Transport
Livello 3
Network
Livello 2
Data link
Livello 1
Physical
Fornisce servizi di uso comune agli utenti (file
transfer, posta elettronica, ...)
Esegue conversioni sui dati al fine di fornire
un’interfaccia standard; svolge funzioni di
compressione, formattazione, ...
Fornisce gli strumenti per controllare il dialogo tra
applicazioni residenti in sistemi diversi.
Permette il trasferimento ordinato di dati
implementando funzioni di controllo degli errori,
controllo di flusso, riordino pacchetti, ...
Maschera i livelli sottostanti, instrada i pacchetti
sulle reti fino al destinatario, ...
Si occupa del trasferimento di blocchi di dati
(frame) sul mezzo fisico, implementa le funzioni di
accesso al mezzo, il controllo e correzione errori.
Stabilisce le tecniche di trasmissione dei dati sul
mezzo fisico, le caratteristiche del mezzo, parametri
fisici (tensioni, velocità, ...), connettori, ...
• Protocolli di comunicazione: regole semantiche e sintattiche che
definiscono il comportamento degli elementi di servizio durante
lo scambio di informazioni.
• All’aumentare dei livelli utilizzati aumenta il grado di complessità
in termini di codifica del software, overhead e tempi di risposta.
• Date le caratteristiche dei fieldbus, in genere, vengono
implementati solo i livelli 1, 2 e 7.
2- I bus di campo
2.15
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.2 Caratteristiche dei fieldbus
• Notevole varietà dei fieldbus, risultato dei diversi requisiti di
utenti appartenenti a diversi settori industriali oltre che alle
politiche aziendali dei produttori. In ogni caso il requisito
fondamentale è l’affidabilità (tecniche sofisticate per
riconoscimento errori, ...) e la robustezza.
• In teoria dovrebbe essere possibile trasmettere: dati binari di
sensori e attuatori con tempi brevissimi; valori di misura di
sensori a intervalli di tempo equidistanti (per loop di
regolazione); dati di parametrizzazione; dati di produzione. Non
è possibile soddisfare tutti questi requisiti con un unico fieldbus.
• I fieldbus permettono di effettuare della pre-elaborazione dei
segnali in corrispondenza dei dispositivi in campo (conteggio
impulsi, ...). Distribuzione dell’intelligenza a basso livello.
• Migliore controllo dei dispositivi in campo per mezzo di
sofisticate funzioni di diagnostica locale.
• Aumento dei costi dei dispositivi in campo ma diminuzione dei
tempi e dei costi di cablaggio.
• Aumento della flessibilità soprattutto in vista di modifiche o
aggiunte agli impianti (non è necessario stendere altri cavi ...).
• Concetto di “trasparenza” del fieldbus.
2- I bus di campo
2.16
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.3 Criteri di selezione
• Ambiente di lavoro: fieldbus che possono operare in luoghi con
pericolo di esplosione (industria chimica) perché operanti a
sicurezza intrinseca (EX-i) cioè non sono in grado di generare
scintille in grado di innescare incendi; presenza di temperature
elevate; ambiente con forti disturbi di natura elettromagnetica
(stazioni di saldatura, ...); ...
• Topologia del bus: i bus ad anello potrebbero essere scomodi da
installare in certe applicazioni in cui i dispositivi sono
fisicamente disposti in modo lineare.
• Lunghezza del bus: si va dal bus che collega i dispositivi di una
singola macchina (< 100m) al bus che collega un’intera linea di
produzione (< 1000m) ai bus usati per l’automazione di edifici
(>> 1000m). Esiste sempre un legame fra lunghezza e velocità di
trasmissione. Esistono dispositivi di amplificazione (ripetitori) in
grado di estendere la lunghezza del bus: occupano spazio e
devono essere alimentati!
• Numero di dispositivi collegabili: si va da pochi elementi di I/O a
migliaia, quello che interessa è il numero di dispositivi
direttamente connessi al bus (esiste sempre un limite fisico o di
indirizzamento).
• Facilità di cablaggio: è importante se vi sono molti dispositivi
collegati al bus. Per alcuni fieldbus vi sono particolari cavi a
perforazione di isolante molto comodi anche se costosi. Vi sono
fieldbus in cui l’alimentazione dei dispositivi viene prelevata
direttamente dal bus.
• Possibilità di avere più master del bus: si hanno bus in cui vi è
uno e un solo master, bus in cui vi sono un numero limitato di
master e bus in cui tutti i dispositivi connessi possono essere
master (peer to peer).
2- I bus di campo
2.17
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Velocità di trasmissione: è importante non tanto la velocità di
picco ma il tempo di ritardo massimo (detto anche tempo di
risposta) fra il verificarsi di un evento in campo e l’acquisizione
dell’evento da parte del controllore. E’ difficile da calcolare
perché dipende da tanti fattori. Si va da tempi << 1ms per loop
di regolazione assi, a tempi < 10ms per dispositivi di I/O digitali
su macchine o per messaggi di allarme, a tempi < 200ms per
l’interfaccia con l’operatore a tempi anche nell’ordine dei
secondi per la regolazione di temperature in forni industriali. La
velocità di trasmissione dichiarata può ingannare: attenzione alle
tecniche di accesso al bus (token ring logico) e all’overhead!
• Modalità di interrogazione degli slave: deterministico o eventdriven. In alcune applicazione (loop di regolazione veloci, ...) è
necessario ottenere le informazioni con scadenze temporali fisse,
determinabili a priori e con jitter limitato. In altre (gestione
veloce di allarmi, ...) è necessario ottenere l’informazione non
appena possibile senza attendere il relativo slot temporale.
• Dimensione massima del blocco dati: si va da pochi byte per i
dispositivi di I/O a molti Kbyte per i dati di produzione.
2- I bus di campo
2.18
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.4 Il livello fisico
2.4.1 Mezzi di trasmissione
• Cavi elettrici: ciascun fieldbus fornisce le caratteristiche
elettriche dei cavi elettrici utilizzabili per il collegamento dei vari
dispositivi. Viene definito il tipo di cavo (coassiale, a coppie
twistate, con schermatura parziale e/o totale, ...), numero di
conduttori (2, 4, ...), sezione minima dei conduttori (0,5 mm2,
...), l’impedenza caratteristica del cavo (120 ohm, ...), ... Spesso
viene fornito un elenco dei cavi certificati. Se non vengono usati
cavi adatti non si riescono ad ottenere le prestazioni dichiarate
oppure ci possono verificare molti problemi sulle comunicazioni.
Attenzione ai cablaggi (stub, ...) e alle resistenze di terminazione,
se previste!
• Fibre ottiche: vengono usate raramente per i fieldbus e quasi
sempre per collegare i ripetitori fra loro. Sono immuni ai disturbi
elettromagnetici, quindi sono molto comode per collegamenti a
lunga distanza, anche se più costose dei cavi. Molti fieldbus
usano protocolli di livello fisico standard (RS485, ...) e spesso si
utilizzano ripetitori standard, non specifici per il fieldbus, per
collegare fra loro più spezzoni di bus distanti fra loro.
2- I bus di campo
2.19
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.4.2 Protocollo RS-232-C (Electronic Industries Association)
• E’ un protocollo di livello fisico molto comune (PC, ...) ma poco
utilizzato in ambiente industriale se non per il collegamento di
dispositivi locali di parametrizzazione.
• Può essere usato per collegamenti punto-punto a breve distanza,
ha segnali di TX e RX e alcuni segnali di hand-shake. La massa è
in comune a tutti i segnali. E’ estremamente sensibile ai disturbi
perché usa un collegamento non bilanciato con ritorno sulla
massa comune.
• I segnali vengono trasmessi in tensione: “0” per 3V < tensione <
15V e “1” per -3V > tensione > -15V.
• La lunghezza massima del collegamento è 15m (meglio se < 3m
in ambiente industriale) e la velocità di 115200 bps (meglio se <
19200 bps in ambiente industriale).
• E’ un protocollo di livello fisico molto utilizzato in ambiente
industriale per collegamenti punto-punto fra apparecchiature.
• Ha segnali di TX e RX e alcuni segnali di hand-shake (anche se
questi ultimi molto spesso non sono presenti). Usa una
trasmissione bilanciata (differenziale), quindi molto immune ai
disturbi di modo comune. In genere l’interfaccia ha 4 fili: RX+,
RX-, TX+ e TX-.
• I segnali vengono trasmessi in tensione (tipicamente da 1 a 4 V):
“0” per RX+ > RX- e “1” per RX+ < RX-.
• La lunghezza massima del collegamento e la velocità di
trasmissione sono legate fra loro: è di 1000m per velocità <
100Kbps fino a raggiungere i 20m per una velocità massima di 10
Mbps.
2- I bus di campo
2.20
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Occorre prestare attenzione alle differenze di potenziale fra i
dispositivi connessi: occorre usare una unico riferimento
equipotenziale di massa oppure optoisolare l’interfaccia.
• E’ un protocollo di livello fisico molto utilizzato in ambiente
industriale per collegamenti multipoint su bus di
apparecchiature. Il bus è costituito da 2 conduttori, denominati
D+ e D-, usati sia per la TX che per la RX per mezzo di
trasmissione differenziale.
• Possono essere collegati sullo stesso bus fino a 32 ricevitori e
fino a 32 trasmettitori con circuiti di protezione in caso di
conflitto hardware.
• Un dispositivo connesso al bus può essere in ricezione (default) o
trasmissione.
• I segnali vengono trasmessi in tensione (tipicamente da 1 a 4 V):
“0” per D+ > D- e “1” per D+ < D-.
• La lunghezza massima del collegamento e la velocità di
trasmissione sono legate fra loro: è di 1000m per velocità <
100Kbps fino a raggiungere i 20m per una velocità massima di 10
Mbps.
• Occorre prestare attenzione alle differenze di potenziale fra i
dispositivi connessi: occorre usare una unico riferimento
equipotenziale di massa oppure optoisolare l’interfaccia.
• Molti fieldbus utilizzano a livello fisico una interfaccia di questo
tipo (o derivata da questa ma con prestazioni leggermente
diverse).
2- I bus di campo
2.21
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.5 Fieldbus con assegnazione decentralizzata e
accesso al bus di tipo deterministico
Per rendere l’affidabilità e la disponibilità del sistema indipendenti
da una stazione MASTER, le funzionalità di controllo sono state
suddivise fra i componenti collegati al bus (decentralizzazione). Un
meccanismo di assegnazione del bus molto utilizzato in questi casi
è il token-passing in cui determinati dispositivi collegati al bus (i
MASTER) sono autorizzati alla trasmissione per un tempo
prestabilito (= tempo di mantenimento del token).
Vantaggi:
• Indipendente dalla topologia della rete (anello logico).
• Non è necessaria una stazione di controllo.
• Sono tollerati guasti ai componenti collegati al bus.
• I tempi di risposta sono calcolabili a priori.
Svantaggi:
• Di non facile implementazione (= alto costo).
• Le segnalazioni urgenti possono essere fatte solo dopo aver
acquisito il token.
• E’ necessario poter riconoscere la perdita del token e
reinizializzare l’anello logico.
2- I bus di campo
2.22
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.5.1 Profibus (PROcess Field BUS)
• Progetto congiunto del Ministero tedesco per la scienza e la
tecnica e alcune primarie industrie (Siemens, ...). E’ contemplato
nello standard europeo EN50170.
• Token passing fra i master e polling fra un master e i suoi slave.
• Il controllo di accesso al bus (MAC - Medium Access Control) è
parte integrante del Fieldbus Data Link (FDL) che è il livello 2
in Profibus.
2- I bus di campo
2.23
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Livello application
Fieldbus message specification (FMS)
Livelli da 3 a 6
Vuoti
Livello data link
Fieldbus Data Link (FDL)
Livello physical
RS485
• FDL definisce 2 priorità per i messaggi trasmessi: alta e bassa.
• Ogni stazione ha un proprio indirizzo (da 0 a 126, con 127 per
broadcast) e ogni stazione conosce l’indirizzo della stazione che
la precede (PS) e di quella che segue (NS).
• FDL è in grado di riconoscere i dispositivi guasti sul bus e li
marca come tali.
• Il master che ha il token lo può tenere per un tempo massimo (tth
- token holding time) calcolato ogni volta che il master riceve il
token come differenza fra il target token rotation time (ttr,
impostato come parametro su tutte le stazioni) e il real token
rotation time (trr, misurato, ultimo tempo impiegato dal token per
percorrere l’anello logico).
• Se tth <= 0 il master può comunque trasmettere un messaggio di
alta priorità (situazioni d’allarme, ...).
• FDL mette a disposizione 4 servizi di tipo connection less: send
data with ack (SDA), send data with no ack (SDN), send and
request data with reply (SRD), cyclic send and request data with
reply (CSRD).
• La trasmissione viene gestita a blocchi con 3 diversi telegrammi.
Al massimo possono essere trasmessi 246 byte.
2- I bus di campo
2.24
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Meccanismi di protezione:
• Le chiamate errate vengono rifiutate e devono essere ripetute.
• Le risposte errate fanno ripetere la richiesta.
• La non risposta causa la segnalazione di componente guasto.
• Se viene perso il token, il master con indirizzo più basso diventa
arbitro e genera un nuovo token.
• Per ciascun frame c’è la Frame Check Sequence (FCS) che è
una checksum, per ciascun carattere c’è il parity bit, vengono
usati particolari identificativi di inizio e fine frame: questo
garantisce una distanza di Hamming pari a 4.
Dimensioni overhead:
• Ogni byte trasmesso contiene 3 bit usati per la gestione.
• In funzione del formato del frame l’overhead può arrivare a 12
byte.
2.5.2 Profibus DP (PROFIBUS Dezentrale Pheripherie)
• Estensione di Profibus all’ambito dei trasduttori e attuatori
rapidi. Sviluppato da Siemens.
• Si basa su una topologia lineare e consente di realizzare sistemi
mono e multi-master.
• I componenti connessi in rete possono essere sostituiti durante il
servizio.
• Si possono collegare fino a 127 dispositivi sul bus, di cui almeno
uno master.
• Ogni master può seguire esclusivamente i propri slave (polling)
interrogandoli ciclicamente.
2- I bus di campo
2.25
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Slave 1
Slave 4
Slave 2
Master 1
Slave 5
Slave 3
Slave 6
Master 2
Slave 7
• A livello 2 abbiamo ancora FDL coi servizi già descritti. L’unica
differenza è che il servizio SRD ha la possibilità di eseguire 2
task indipendenti: la lettura e la scrittura contemporanea.
• Non esiste il livello 7 ma è previsto un modulo nell’interfaccia
utente (Direct Data Link Mapper - DDLM) che si interfaccia
direttamente al livello 2.
Caratteristiche fisiche:
• Doppino intrecciato e schermato. Caratteristiche elettriche
conformi allo standard RS-485.
• Velocità di trasmissione selezionabile: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5,
500, 1500, 12000 Kbsp.
• Estensione massima della rete di 9600 m (con velocità fino a
93.75 Kbps e usando 7 ripetitori con tratti lunghi 1200m). A 1.5
Mbps si possono usare solo 4 ripetitori con tratti lunghi max
200m. A 12 Mbps i tratti di linea sono lunghi max 100m.
• Si può definire un intervallo di tempo (Data Control Time) in cui
deve avvenire almeno un trasferimento corretto con lo slave,
altrimenti si ha un messaggio d’errore.
• Lo slave se entro questo tempo non registra traffico di dati
commuta tutte le uscite in condizione di sicurezza.
Tempi di risposta (1 master e slave con 2 byte di I/O):
2- I bus di campo
2.26
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Tempo ciclo (500Kbps)
Tempo ciclo (1.5Mbps)
Tempo ciclo (12Mbps)
N°
2
3ms
2ms
1ms
1
2ms
2ms
1ms
3
6ms
2ms
1ms
Slave
4
10ms
4ms
1ms
5
16ms
6ms
1ms
Configurazione:
• Esistono per i master dei tool di configurazione in cui sono
richiesti solo alcuni parametri: indirizzo stazione, l’indirizzo più
alto nella rete (HSA), target rotation time (TTR), ...
• Ogni slave fornisce un file di testo (con estensione GSD, GSE,
...) con tutte le caratteristiche dello slave. Questo file può essere
acquisito direttamente dal tool di configurazione per una
parametrizzazione automatica dello slave.
2.5.3 Profibus PA (PROFIBUS Process Automation)
• Estensione di Profibus all’ambito della comunicazione con
trasmissione a sicurezza intrinseca per impianti con pericolo di
esplosione.
• A livello fisico adotta lo standard IEC 1158-2 che consente di
collegare fino a 32 dispositivi in area sicura e 20 dispositivi in
area certificata Eex ib IIB (o 10 in area Eex ia IIC).
servizio.
• Si basa su una topologia lineare. I dispositivi possono essere
alimentati direttamente dal bus (max 10 mA ciascuno) mediante
un apposito alimentatore.
• Deve esistere un particolare dispositivo (PNC, Process-near
component) che svolge le funzioni di bus master.
2- I bus di campo
2.27
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Esistono accoppiatori di interfaccia Profibus DP-Profibus PA.
Master 1
Slave 1
Master 2
Master
(PNC)
Slave 2
Slave 3
• A livello 2 abbiamo ancora FDL coi servizi già descritti ma
ampliati.
• Il formato dei frame sono diversi da quelli Profibus: ricevuta
rapida (3 byte), token (5 byte), frame di lunghezza fissa senza
dati (6 byte), frame di lunghezza fissa con dati (14 byte) e frame
di lunghezza variabile con dati (10..255 byte).
• Doppino intrecciato e schermato.
• Velocità di trasmissione fino a 31.25 Kbps.
• Si possono avere fino a 4 ripetitori e ciascun segmento può
essere lungo fino a 1900m.
• Viene utilizzata la codifica Manchester differenziale.
2.5.4 P-NET
• Sviluppato dalla società danese Process Data.
• Si basa su una topologia ad anello con possibilità di collegare più
anelli con gateway.
• Le stazioni master sono numerate e il bus viene assegnato
ciclicamente in ordine progressivo per mezzo di token.
2- I bus di campo
2.28
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Slave 1
Slave 2
Master 3
Master 2
Slave 5
Slave 6
Gateway
Slave 4
Master 1
• La trasmissione dei dati viene effettuata esclusivamente con
indirizzamento a variabile (semplice o complessa). Un frame di
trasmissione può contenere da 5 a 94 byte (di cui 56 max di
informazione). E’ prevista la segmentazione della trasmissione su
più frame.
• Velocità di trasmissione selezionabile fino a 76.8 Kbps.
• Distanza di trasmissione massima pari a 1200m (estensione
tramite gateway + sottoreti).
• Si possono connettere fino a 128 dispositivi di cui 32 master per
ogni anello, fino ad un massimo complessivo di 32.000
dispositivi.
Tempi di risposta:
• Alla max velocità con collegamento punto-punto fra master e
slave con 4 byte di informazioni, il tempo di trasmissione è
2.8ms, indipendentemente dal numero di slave connessi.
• Nelle reti multi-master i tempi di risposta devono tener conto del
tempo di attesa sul ricevimento del token.
2- I bus di campo
2.29
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.6 Fieldbus con assegnazione decentralizzata e
accesso al bus di tipo casuale
I dispositivi connessi al bus hanno gli stessi diritti (peer to peer),
ascoltano tutti i messaggi e, quando necessario, trasmettono sul
bus. Viene usato il sistema di controllo sull’accesso CSMA
(Carrier Sense Multiple Access).
Vantaggi:
• E’ possibile effettuare una comunicazione event driven.
• Rispetto all’accesso deterministico, il carico medio del bus è
molto inferiore e il tempo di latenza molto breve.
Svantaggi:
• I tempi di risposta non sono definibili a priori.
• Ci possono essere collisioni sulle trasmissioni. Tali casi devono
essere riconosciuti (Collision Detect) e risolti adeguatamente.
2- I bus di campo
2.30
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.6.1 CAN (Controller Area Network)
• Sviluppato dalla Bosch per il collegamento di I/O nel campo
dell’industria automobilistica. Il CiA (CAN in Automation) è
l’ente internazionale che lo gestisce. E’ definito in sede
internazionale dalla norma ISO 11898.
• CAN definisce solo il livello fisico e data link. Esistono molti
microcontrollori con interfaccia CAN integrata e molti chip
CAN controller (82C200, SJA1000, 82527, ...). Entrambi questi
livelli sono implementati direttamente a livello hardware
(accesso al bus, controllo CRC, ritrasmissione messaggio, ...) e
l’utente può ragionare direttamente sui dati dando per scontata
la loro correttezza.
• Si basa su una topologia lineare e la trasmissione può essere
iniziata da qualunque dispositivo.
servizio.
• Ogni messaggio ha un indirizzo univoco sul bus. Si possono
avere 2048 (se identificatore a 11 bit) o 512 milioni (se
identificatore a 29 bit) diversi messaggi.
Nodo 1
Nodo 4
Nodo 2
Nodo 3
Nodo 5
Nodo 6
2- I bus di campo
2.31
Nodo 8
Nodo 7
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Doppino intrecciato e schermato. Caratteristiche elettriche simili
allo standard RS-485 (versione modificata). Terminatore di bus
da 120 ohm.
• La lunghezza massima per il bus dipende dalla velocità di
trasmissione: 20m per 1Mbps, 100m per 500Kbps, 250m per
250Kbps, 500m per 125Kbps, 1000m per 50Kbps.
• Si possono collegare fino a 64 dispositivi per segmento. Esistono
dei ripetitori per aumentare questo numero ma non l’estensione
massima del bus (per via del meccanismo di arbitraggio).
Arbitraggio del bus:
• Si basa su uno schema non distruttivo a bit (CSMA/CA Collision Arbitration).
• La linea può assumere 2 livelli: recessivo (1) e dominante (0).
• Il controllo di collisione si basa sul fatto che la TX può iniziare
solo con bus inattivo, il nodo durante la TX dell’identificatore
controlla la linea e se legge bit dominante mentre lui trasmette il
recessivo allora ferma la trasmissione ma continua la ricezione.
• L’arbitraggio avviene durante la trasmissione dell’identificatore
(+ bit RTR): il messaggio con identificatore più basso (= più bit
dominanti) ha priorità più alta.
2- I bus di campo
2.32
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Conseguenza diretta è che la velocità di trasmissione decresce
con la lunghezza del bus (velocità finita dei segnali ...).
• Per la sincronizzazione usa un PLL. Si usa il bit stuffing se si
rilevano 5 bit consecutivi allo stesso livello (trasparente).
Formato dei messaggi:
• Si hanno solamente 4 tipi di messaggi: data frame (DF), remote
frame (RF), error frame (EF) e overload frame (OF).
• I data frame possono inviare dati con lunghezza da 0 a 8 byte (se
blocco dati più grosso occorre frammentare a livello
applicazione).
2- I bus di campo
2.33
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Il remote frame serve per richiedere la tramissione di un
messaggio (viene specificato l’identificatore).
• L’error frame serve per segnalare un errore di ricezione o
trasmissione per un nodo.
• L’overload frame serve per segnalare che un nodo al momento
non è pronto a ricevere messaggi perché troppo carico (tende a
sparire).
• CRC a 15 bit sui frame.
• Durante la TX si controlla il livello dei bit trasmessi (anche dopo
la fase di arbitraggio). Se diverso significa che c’è un errore.
• Non c’è conferma del messaggio ma viene segnalato l’errore.
Quando un errore viene rilevato (dal nodo TX o uno qualsiasi dei
dispositivi sul bus) viene spedito subito l’error frame che,
avendo tutti bit dominanti, viola le regole del bit stuffing e
distrugge il messaggio in corso (i dati rimangono consistenti). Il
nodo in trasmissione ritrasmette subito il messaggio. Questo
garantisce un tempo di recupero dell’errore bassissimo (il
migliore...).
• Per impedire che un nodo guasto continui a generare error frame
esiste un contatore di errori. Se supera una soglia non può più
generare error frame, se ne supera un’altra viene
automaticamente disconnesso dal bus.
• Ogni nodo che riceve correttamente il messaggio forza in modo
dominante il bit “ack slot”. Questo segnala al nodo TX che
almeno un dispositivo ha visto il messaggio (in caso contrario
ritrasmette).
• CAN assicura una distanza di Hamming pari a 6.
2- I bus di campo
2.34
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Tempi di risposta:
• In ogni momento viene trasmesso per primo il messaggio con
priorità più alta. Per il messaggio a più alta priorità il max tempo
di latenza è la durata del messaggio più lungo (130 bit).
• Per i messaggi a priorità inferiore si possono solo stimare con
metodi statistici i tempi di latenza medi (noto il carico del bus).
• A 1Mbps si possono trasmettere 7.200 messaggi/secondo da 8
byte.
Lo strato applicazione (livello 7):
• Si interfacciano alle specifiche CAN implementate a livello
hardware (livelli 1 e 2).
• I più diffusi per applicazioni industriali al livello attuatoritrasduttori sono: CANopen (Europa), SDS (Honeywell - USA),
DEVICENET, CAL, ...
CANopen:
• Strato applicazione (livello 7) basato su CAN. Definito da CiA e
aperto (specifiche al sito www.can-cia.de).
• Il profilo DS-301 definisce come vengono implementati i servizi
disponibili mentre i vari profili di dispositivo (per esempio il DS401 per gli I/O digitali e analogici) definiscono il contenuto, cioè
come interpretare i dati.
• Definisce anche i cavi e i connettori standard.
• Il DS-301 definisce 2 tipi di data object e una serie di special
object. I process data object (PDO) sono usati per il
trasferimento dati real time. Hanno identificatori di messaggio
posti ad indirizzi bassi. I service data object (SDO) permettono di
accedere alla object directory (cioè una tabella coi parametri dei
dispositivi) ed effettuare la configurazione remota.
2- I bus di campo
2.35
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Ogni PDO corrisponde ad un data frame (max 8 byte) con un
proprio identificatore che ne definisce la priorità (il mapping può
essere modificato con SDO). Per un RIO esisterà un PDO per
leggere i DI, uno per gli AI, uno per i DO, ...
• Esistono 3 metodi per trasmettere dati di processo con PDO:
event driven (ogni modifica su input), in polling (con remote
frame) e sincronizzato. In questo ultimo caso esiste un oggetto
con elevata priorità, chiamato SYNC, che se ricevuto da un
dispositivo causa la trasmissione immediata di tutti gli oggetti
definiti (tramite SDO) come sincroni.
• In un SDO gli 8 byte di informazione del data frame sono
utilizzati come codice comando (1 byte), puntatore alla tabella (3
byte) e dato (4 byte). Questo permette di accedere alla tabella di
configurazione dei dispositivi, in lettura e scrittura. Il significato
di ciascuna locazione della tabella è descritto nei profili di
dispositivo (DS-401, ...). Per gli SDO esiste una metodologia di
frammentazione per la TX/RX di blocchi dati più grandi di 4
byte.
• CANopen definisce anche oggetti speciali (Emergency object,
...) e oggetti per il network management (NMT). Questi ultimi
permettono di controllare lo stato dei dispositivi (inizializzazione,
stop, running, ...) ed attivare i guard time e life time (watch-dog).
2- I bus di campo
2.36
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.6.2 LON (Local Operating Network)
• Sviluppato dalla società Echelon (USA) come rete concepita per
applicazioni universali.
• E’ molto utilizzato nel campo della building automation.
• Si basa su una topologia lineare anche se per mezzo di “router”
(collega segmenti realizzati con mezzi fisici diversi) e transceiver
è possibile realizzare anche altre topologie.
• All’intera rete possono essere connessi un massimo di 32.000
nodi mentre le sottoreti possono gestire un massimo di 128 nodi.
• Tutti i nodi collegati al bus hanno gli stessi diritti.
• Viene usato il sistema di controllo sull’accesso CSMA-CD
(Carrier Sense Multiple Access - Carrier Detect).
Nodo 1
Nodo 2
Nodo 5
Nodo 6
Router
Nodo 3
Nodo 4
Nodo 7
Nodo 8
• Indipendente dal mezzo fisico di trasmissione (per mezzo di
transceiver): doppino twistato, cavo coassiale, cavo di rete,
infrarossi, fibra ottica, trasmissione HF, ...
• Doppino twistato (max 64 nodi): max 1300m a 78 Kbps o 500m
a 1.25 Mbps.
Protocollo di trasmissione:
• E’ complesso perché implementa tutti i 7 livelli ISO. Esistono
chip (neurochip) programmabili che implementano tutti i livelli.
2- I bus di campo
2.37
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Vi è un solo formato di frame con lunghezza variabile per i dati.
Un frame può trasmettere fino a 228 byte.
• Ha un sistema di indirizzamento gerarchico: rete, sottorete,
gruppo, nodo.
• Si ha una ripetizione automatica in caso di errore (il nodo TX
attende un ACK da ogni destinatario del frame).
• A livello 4 è integrato un servizio (autentificazione) che
impedisce un accesso non autorizzato al bus.
• Protezione del frame con CRC a 16 bit.
• Garantisce una distanza di Hamming pari a 4.
Tempi di risposta:
• Alla max velocità (1.25 Mbps) con collegamento punto-punto si
ha un tempo di risposta di 7ms per una variabile di 2 byte.
• Su una rete complessa non è possibile prevedere i tempi di
risposta se non in modo statistico.
2- I bus di campo
2.38
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.7 Fieldbus con assegnazione centralizzata e
topologia lineare
Un componente con funzioni di controllo (master) è incaricato
dell’arbitraggio del bus, del controllo dei trasferimenti (RD e WR)
e della gestione degli errori. Generalmente interroga ciclicamente
gli slave (polling) ed effettua i trasferimenti dati richiesti. Può
anche gestire il bus in time sharing (sincronizzazione precisa) o per
mezzo di delegated token (il token viene assegnato dal master ad
uno slave che usa il bus, poi lo restituisce al master).
Vantaggi:
• E’ possibile realizzare un acceso di tipo deterministico con tempi
di risposta definibili a priori.
• Di solito sono protocolli molto semplici da implementare.
• Al polling può essere associata una politica di interrogazione in
funzione delle priorità degli slave.
Svantaggi:
• L’affidabilità e la disponibilità del sistema dipendono dalla
stazione di controllo.
• La comunicazione fra due slave può avvenire solo passando
dalla stazione di controllo.
• Il tempo di latenza (o di reazione) massimo è direttamente
proporzionale al numero di slave.
2- I bus di campo
2.39
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.7.1 ASI (Actuator Sensor Interface)
• Sviluppato e gestito da un consorzio di 11 società con il fine di
collegare in rete semplici trasduttori e attuatori binari.
• Si basa su una topologia lineare. Ad un master si possono
collegare fino a 31 slave (4 bit per slave). Dal punto di vista
logico è come se fosse una stella (point-multipoint).
• Tutto passa attraverso il master. Non sono possibili
comunicazioni dirette fra gli slave.
• L’accesso è di tipo rigorosamente deterministico.
Master
=
Slave 1
Slave 2
Slave 30
Slave 31
• Cavo di collegamento speciale a 2 conduttori con perforazione di
isolante. Non è necessario il collegamento equipotenziale fra i
dispositivi. Non è necessario terminare i consuttori.
• Sul cavo vengono trasmesse in parallelo la tensione di
alimentazione e le informazioni. L’assorbimento max del bus è di
2A con tensione da 27 a 31.5V.
• Lunghezza massima cavo di 100m con frequenza massima di
167Kbps.
• La portante è costituita da impulsi sin 2 (per limitare l’ampiezza
dello spettro) e viene usata la codifica Manchester.
2- I bus di campo
2.40
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Sono utilizzati 2 frame: uno per il master e uno per lo slave. Lo
slave riceve una chiamata dal master seguita da una pausa;
risponde con una risposta slave seguita da una pausa. Questa
sequenza è chiamata messaggio.
• Un ciclo di interrogazione è composto da messaggi (1..31), uno
per ciascuno slave. Al termine di un ciclo viene interrogato uno
slave a turno per il controllo e l’impostazione di particolari
parametri di servizio, poi il ciclo riprende da capo.
• Se uno slave non risponde si ritenta nel ciclo successivo. Se non
risponde a 2 chiamate viene eliminato dalla lista degli slave
attivi.
• Per la protezione esiste un parity bit e alcuni vincoli sui messaggi
che danno una distanza di Hamming pari a 2.
Tempi di risposta:
• Se al bus sono collegati 31 slave, il tempo di ciclo è di 5ms.
2.7.2 FIP (Factory Instrumentation Protocol)
• Frutto di un progetto di sviluppo francese, promosso da
un’associazione internazionale (World FIP).
• Si basa su una topologia lineare. Si possono collegare al massimo
256 dispositivi, incluso un master.
• I dati di processo sono distribuiti (il DB è suddiviso fra i
dispositivi).
• L’indirizzamento nella rete è riferito alla variabile. Solo una
stazione può possedere una data variabile.
• Prevede meccanismi di trasmissione ciclici (dati di servizio) e
aciclici (parametri).
2- I bus di campo
2.41
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Master
Slave 1
Slave 2
Slave 3
Slave 4
• Doppino twistato e schermato con resistenze di terminazione.
• La velocità di trasmissione tipica è di 1 Mbps (è possibile
arrivare a 2.5 Mbps) con una lunghezza massima di 500m. Tale
distanza può essere ampliata utilizzando fino a 3 ripetitori
(quindi max 2000m).
• Sul cavo possono venire trasmesse in parallelo la tensione di
alimentazione e le informazioni.
• I frame di dati possono trasportare fino a 32 byte utili.
• Il master assegna sequenzialmente il token (delegated token) a
tutti i dispositivi. Quando il componente riceve il token è
autorizzato all’invio (producer). Il master genera una
segnalazione broadcast e il producer può effettuare un
trasferimento dati verso un altro slave (consumer). In caso di
errore si deve ripetere aspettando il prossimo token. Il token si
considera restituito dopo che il producer ha inviato i dati.
• In presenza di traffico aciclico sul bus, la finestra temporale è
divisa in 2 sezioni: una per la trasmissione ciclica, l’altra per il
traffico aciclico.
• Il traffico aciclico si svolge in 4 fasi: mediante una richiesta
ciclica lo slave comunica al master l’intenzione di una
comunicazione asincrona; il master memorizza la richiesta e
2- I bus di campo
2.42
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
terminate le cicliche gli richiede la lista delle variabili
interessate; lo slave invia la lista degli identificativi di variabile;
il master elabora in sequenza le richieste nella lista.
• Per la protezione esiste un CRC a 16 bit e alcuni vincoli
temporali sui messaggi generati dai producer che danno una
distanza di Hamming pari a 4.
Tempi di risposta:
• Il tempo di reazione massimo corrisponde al tempo di ciclo che
viene definito in fase di configurazione come multiplo intero di
5ms.
2- I bus di campo
2.43
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.8 Fieldbus con assegnazione centralizzata e
topologia ad anello
I singoli componenti della rete danno luogo ad una configurazione
ad anello. Spesso le interfacce dei componenti fanno parte della
linea di trasmissione. Ogni componente sul bus registra le
informazioni ad esso destinate e/o unisce le sue informazioni in
una stringa complessiva (frame di somma) gestita dal master.
Vantaggi:
• La complessità della gestione è indipendente dal numero di
componenti connessi.
• E’ possibile prevedere a priori i tempi di risposta.
• Ha costi hardware e software ridotti.
• I componenti fanno anche da ripetitore, rigenerando il segnale.
Svantaggi:
• L’ampliamento o la sostituzione dei componenti possono
avvenire solo quando il sistema non è in servizio (interruzione
dell’anello).
• Il guasto di un componente porta al blocco dell’intero anello ed è
difficile individuare il guasto.
2- I bus di campo
2.44
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.8.1 INTERBUS-S
• Sviluppato dalla società Phoenix Contact per il campo dei
trasduttori-attuatori.
• Si basa su una topologia ad anello con frame di somma. I dati
vengono gestiti come in un registro a scorrimento: il frame
somma inizia e finisce sul master.
• Tutti i dati di uscita vengono inseriti dal master quando genera il
frame somma. Tutti i dati in ingresso vengono inseriti dagli slave
in un punto ben preciso del frame. I dati vengono suddivisi in
blocchi da 16 bit.
• Bus remoto: doppino twistato e schermato; trasmissione con
protocollo RS-485; distanza massima fra 2 componenti di 400m;
velocità massima di 500Kbps; max 256 componenti collegati
(estensione max teorica di 102 Km, in realtà 13 Km).
• Bus delle periferiche: 4 coppie di conduttori twistate e
schermate; trasmissione fatta con impulsi CMOS;
2- I bus di campo
2.45
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
l’alimentazione arriva dalla morsettiera del bus; distanza max fra
2 componenti di 1.5m; si possono collegare max 8 componenti;
velocità di trasmissione pari a 300Kbps.
• Sensor loop: doppino twistato non schermato; porta i dati e la
tensione di alimentazione (24V, 40mA max); distanza max fra 2
sensori di 10m; estensione max di 100m.
• Dal punto di vista logico il protocollo è costituito da una stringa
frame di somma che viene trasmessa una sola volta per ciclo, e
contiene: loop back word (LB), i dati di processo per i dispositivi
(16 bit), la frame check sequence (FSC) e la word finale (E).
• Per la protezione esiste un CRC a 16 bit (i resti del polinomio
calcolato dal generatore CRC di un nodo viene trasferito al
tester CRC del nodo successivo) e alcuni vincoli sui messaggi
che danno una distanza di Hamming pari a 4.
Tempi di risposta:
• Il tempo di trasmissione può essere calcolato a priori con una
semplice formula. Per esempio per 64byte dati vale 3.7ms (a
500Kbps).
• Il tempo di ritardo introdotto da ciascun componente è molto
basso (1.5 bit, cioè 3 µs a 500Kbps).
2- I bus di campo
2.46
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
2.8.2 SERCOS (SErial Real time COmmunication System)
• Sviluppato da alcune società (Indramat, ...) per la comunicazione
rapida e in tempo reale tra CN e azionamenti.
• Si basa su una topologia ad anello in cui il master del bus è il CN.
• Nella fase di inizializzazione a ciascuno slave viene comunicato
lo slot temporale in cui può trasmettere i propri dati .
• Il numero dei componenti collegabili dipende dal tempo di ciclo
richiesto (in ogni caso al max 245).
Master
(CN)
Slave 1
Slave 2
Slave 3
Slave 4
• Fibra ottica di plastica.
• Lunghezza massima di ogni tratto pari a 60m.
• Velocità di trasmissione dati da 2Mbps a 8Mbps.
• Ha una fase di inizializzazione (controllo su anello chiuso, test
dello stato degli slave, parametrizzazione azionamenti, ...)
seguita da una fase di trasmissione ciclica.
• Per la protezione esiste un CRC a 16 bit e alcuni vincoli sui
messaggi e sui tempi di risposta che danno una distanza di
Hamming pari a 4. Gli slot temporali con dati contenenti errori
non vengono ripetuti nel traffico ciclico dei dati. Se per 2 volte
consecutive uno slot contiene dati non validi, gli azionamenti si
bloccano automaticamente.
2- I bus di campo
2.47
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Tempi di risposta:
• Visto che il CN deve calcolare la velocità per ciascun
azionamento, di solito si imposta un tempo di ciclo di 1 ms anche
se in teoria sarebbe possibile scendere fino a circa 60 µs.
2- I bus di campo
2.48
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
3.1 Caratteristiche dei bus di processo
• Notevole varietà dei bus di processo principalmente dovuti alle
politiche aziendali dei produttori (protezionismo). Spesso ogni
dispositivo di controllo ha un proprio protocollo di
comunicazione. Difficile integrazione di componenti di
produttori diversi. SCADA con centinaia di driver implementati.
• In teoria dovrebbe essere possibile trasmettere principalmente i
dati di parametrizzazione, i dati di produzione e gestire le
funzioni di diagnostica.
• Circolano pacchetti dati medio-grandi (fino a 256 byte).
• I dispositivi connessi al bus sono pochi, costosi e intelligenti. E’
possibile implementare protocolli sofisticati e con molti servizi.
• A livello fisico valgono le stesse considerazioni fatte per i
fieldbus.
• Anche in questo ambito è importante l’affidabilità e la
robustezza.
3- I bus di processo
3.49
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
3.2 Bus di processo aperti
3.2.1 Modbus
• Progettato dalla società Modicon (USA) per la comunicazione
con i propri PLC. Vista la semplicità e la documentazione
disponibile, anche se poco efficiente, è molto utilizzato per
l’interfacciamento fra le apparecchiature di controllo e i sistemi
SCADA. Possibilità di collegare direttamente alla porta seriale di
un PC.
• Esiste in più varianti: ASCII, RTU e PLUS. Noi vedremo il
MODBUS RTU.
• Appositamente studiato per la lettura e la scrittura di variabili
semplici sui dispositivi.
• Assegnazione centralizzata: il master (SCADA) interroga in
polling gli slave. Permette di indirizzare fino a 247 slave
(indirizzo 1..247) con indirizzo 0 riservato per la comunicazione
broadcast.
Master
Slave 1
Slave 2
Slave 3
Slave 4
conformi allo standard RS-485. Estensione della rete come da
specifica EIA.
3.50
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Velocità di trasmissione selezionabile (in genere quelle tipiche
dei comuni UART dei PC).
Formato dei messaggi:
• Un massaggio è composto da una stringa di caratteri a 8 bit con
lunghezza variabile, composto dai campi: address, function, data
e CRC (da 16 bit).
• Le funzioni disponibili sono: lettura e scrittura di bit e registri
(word) sia singoli che a blocchi; la lettura dello stato di uno
slave; ...
• Il master trasmette una query e attende la response dallo slave
(solo se non broadcast). Esiste un controllo di timeout sulla
risposta scaduto il quale la query viene ripetuta.
3.2.2 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)
• E’ il Profibus originale, progetto congiunto coordinato dal
Ministero tedesco per la scienza e la tecnica, appositamente
concepito come bus di processo.
• Si basa su una topologia lineare e consente di realizzare sistemi
mono e multi-master.
• Si possono indirizzare fino a 127 dispositivi sul bus (0..126) con
l’indirizzo 127 riservato per le comunicazioni broadcast.
• Ogni master può seguire esclusivamente i propri slave (polling)
interrogandoli ciclicamente.
3.51
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
Slave 1
Slave 4
Slave 2
Master 1
Slave 5
Slave 3
Slave 6
Master 2
Slave 7
• Esistono modalità di funzionamento ibride: FMS e DP.
• Esistono chip in grado di implementare FMS per i livelli 1 e 2
(molto costoso). Esistono implementazioni più semplici, gestite
da microprocessori standard muniti di UART, per velocità fino a
187.5 Kbps (vedi interfaccia MPI).
• A livello 2 abbiamo ancora FDL coi servizi già descritti.
• Doppino twistato e schermato. Caratteristiche elettriche
• Velocità di trasmissione selezionabile: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5,
500 Kbps.
• Estensione massima della rete fino a 1200 m (con velocità fino a
93.75 Kbps), fino a 600m (per velocità di 187.5 Kbps) o 200m
(per velocità di 500 Kbps). Con cavi speciali certificati queste
distanze possono aumentare.
• In un segmento è possibile collegare fino a 32 componenti. I
ripetitori consentono di suddividere il bus in più segmenti.
Possono essere utilizzati un massimo di 3 ripetitori. Quindi in
totale si possono avere un massimo di 124 componenti
fisicamente connessi al bus.
• Parità orizzontale e verticale (parity bit e checksum).
3.52
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Le chiamate riconosciute errate vengono rifiutate e devono
essere ripetute dal master.
• Le risposte riconosciute errate comportano la ripetizione
dell’interrogazione.
• Se uno slave non risponde viene contrassegnato come non
funzionante. Se alla successiva interrogazione risponde, allora
viene riconsiderato funzionante.
Funzioni dell’application layer (livello 7):
• E’ diviso in 2 entità: Fieldbus Message Specification (FMS) e
Lower Layer Interface (LLI).
• LLI realizza il collegamento fra il livello 2 e il livello 7
utilizzando i servizi del livello 2. Esegue le funzioni dei livelli
vuoti; in particolare fa il controllo delle sessioni di
comunicazione con creazione della lista sessioni (LSC).
• FMS è derivato dallo standard internazionale MMS. FMS
permette di definire per ciascuna stazione gli oggetti di
comunicazione che possono essere scambiati in rete (Object
Directory - OD). Per ciascuno è definito: descrizione, struttura,
tipo di dati, assegnazione indirizzo fisico - nome globale sul bus,
... Per standardizzare la descrizione vi sono diversi profili (PLC,
CNC, ...). Per ogni dispositivo in rete sono previsti almeno 8
servizi, su un totale di 34, che agiscono sugli oggetti basandosi su
un modello client-server.
3.53
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
3.3 Il futuro dei bus di processo
• Molti operatori sono convinti che lo stack
Ethernet+IP+TCP/UDP sarà impiegato sempre di più e sempre
più vicino al campo.
• E’ logico supporre che, per le sue caratteristiche, il bus di
processo sarà il primo ad essere interessato dall’espansione di
Ethernet. Già ora esistono schede Industrial Ethernet per PLC e
PC che si differenziano dalle normali schede di rete per la
presenza di filtri e connettori standard più robusti: costano molto
per mancanza di volumi di produzione e per politiche
protezionistiche.
• Per i fieldbus, invece, i tempi sono ancora lontani: la complessità
della gestione dei protocolli ai vari livelli aumenta i costi
(microprocessori potenti,...) e non permette applicazioni hard
real time. Inoltre per minimizzare la probabilità di conflitti
nell’accesso al mezzo è necessario utilizzare switch con costi e
difficoltà nei collegamenti.
• Gli enti che gestiscono i vari fieldbus (soprattutto Profibus, CAN
e Interbus) si stanno impegnando per trovare il modo di
3.54
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
interfacciarsi alle reti Ethernet per consentire operazioni di
configurazione, manutenzione e diagnostica remote tramite
applicazioni convenzionali che sfruttano tecnologie Web.
• La connessione fra il fieldbus e la rete di fabbrica ethernet si
basa su dispositivi gateway che realizzano la conversione di
protocollo e l’adattamento dei segnali elettrici. Vengono proposti
2 tipi di collegamenti: collegamento a livello di applicazione e
collegamento a livello di data link.
3.3.1 Collegamento a livello di applicazione
• Un programma applicativo (agente) su gateway converte
messaggi provenienti da rete di fabbrica in messaggi fieldbus e
viceversa (richieste da rete di fabbrica -> servizi del fieldbus).
• In genere si utilizza FTP associando a ogni dispositivo su
fieldbus un diverso file virtuale. L’accesso remoto al dispositivo
(file) provoca una serie di interrogazioni del gateway sul fieldbus
al fine di preparare il file che poi verrà trasferito su rete di
fabbrica tramite FTP.
• In altri casi si utilizza HTTP e sul gateway ci va un piccolo web
server: un utente su rete di fabbrica (web client - browser)
effettua una richiesta al gateway (web server) per mezzo di
collegamenti ipertestuali su pagina Html; il web server interpreta
la richiesta e la traduce in interrogazioni/attivazioni sul fieldbus;
le risposte vengono elaborate e trasmesse al web client.
3.55
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Nel caso di fieldbus CANOpen in genere vengono esportati solo
i messaggi SDO mentre i PDO rimangono dedicati allo scambio
dati real time. Il modo più semplice per consentire
l’amministrazione remota di una rete CANOpen è quello di
tradurre ogni richiesta HTTP proveniente dalla rete di fabbrica in
un messaggio SDO. Si può quindi accedere separatamente a tutte
le voci del dizionario oggetti. In genere si utilizzano script o
programmi CGI e la richiesta (pagina HTML con uno user form)
deve includere: node identifier, indice/sottoindice dell’oggetto a
cui si vuol accedere, il nuovo valore dell’oggetto (nel caso di
scrittura).
3.3.2 Collegamento a livello di data link
• Il gateway agisce come router convenzionale e trasferisce i
datagram IP da una rete all’altra. Questo significa che sul
fieldbus devono essere presenti dispositivi in grado di gestire il
protocollo IP: devono essere potenti (in genere sono solo i
master del fieldbus).
• In questo caso, con un unico gateway, si possono utilizzare
protocolli diversi (HTTP, FTP, SNMP, ...). Gli enti che
gestiscono i fieldbus stanno lavorando in questa direzione,
standardizzando le modalità di accesso ai vari servizi disponibili.
3.56
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto
• Nel caso di fieldbus CANOpen lo scambio dei datagram IP viene
realizzato per mezzo di SDO speciali (chiamati IP-SDO) che
vengono implementati dai dispositivi che intendono interfacciarsi
con la rete di fabbrica. Per gestire gli IP-SDO è necessario
riservare 2 identificatori CAN per ciascun dispositivo su
fieldbus, uno usato in ricezione e uno in trasmissione. Ogni IPSDO ricevuto verrà trattato come datagram IP e verrà passato ai
livelli superiori (dal livello 3 in poi) che lo gestiranno come di
consueto.
3.57
Reti di fabbrica
Finazzi Roberto - 02/2003
4.1 LonWorks
• Sviluppato dalla società Echelon (USA) come rete concepita per
applicazioni universali. L’interoperabilità fra i dispositivi dei vari
costruttori è garantita dall’associazione LonMark.
• E’ molto utilizzato nel campo della building automation.
• Si basa su una topologia lineare anche se per mezzo di “router”
(collega segmenti realizzati con mezzi fisici diversi) e transceiver
è possibile realizzare anche altre topologie.
• All’intera rete possono essere connessi un massimo di 32.385
nodi mentre le sottoreti fisiche possono gestire un massimo di 64
o 128 nodi dipendentemente dal tipo di mezzo trasmissivo
utilizzato.
• Tutti i nodi collegati al bus hanno gli stessi diritti (peer to peer).
• Viene usato il sistema di controllo sull’accesso CSMA-CD
(Carrier Sense Multiple Access - Carrier Detect) p-persistente
predittivo (tempo di attesa dopo una collisione variabile da 16 a
1008 slot dinamicamente regolato da ciascun dispositivo in
funzione della stima del traffico sulla rete).
Nodo 1
Nodo 2
Nodo 5
Nodo 6
Router
Nodo 3
Nodo 4
Nodo 7
Nodo 8
• Indipendente dal mezzo fisico di trasmissione (per mezzo di
transceiver): doppino twistato, cavo coassiale, cavo di rete,
infrarossi, fibra ottica, trasmissione HF, ...
4- I bus per la building automation
4.58
Reti di fabbrica
• E’ complesso perché implementa tutti i 7 livelli ISO. Esistono
chip (neurochip) programmabili che implementano tutti i livelli.
• Permette diversi tipi di indirizzamento: indirizzo fisico (Neuron
ID a 48bit), indirizzo dispositivo (dominio ID. sottorete ID . nodo
ID, con un max di 255 sottoreti e 127 nodi ogni sottorete),
indirizzo di gruppo (insieme logico di dispositivi in un dominio
con un max di 64 dispositivi se trasmissioni con ACK - max 255
gruppi per dominio) e indirizzo broadcast (tutti i dispositivi in
una sottorete o in un dominio). Ogni frame trasmesso contiene
l’indirizzo di dispositivo del sorgente e l’indirizzo dei dispositivi
riceventi usando uno dei 4 indirizzamenti possibili.
• Si possono avere 3 tipi di servizi per la trasmissione dei
messaggi: con ACK (anche per gruppi fino a 64 dispositivi), con
ripetizione e senza ACK.
• Si ha una ripetizione automatica in caso di errore (p.e. se il nodo
TX non riceve un ACK da ogni destinatario del frame).
• Protezione del frame con CRC a 16 bit.
• Garantisce una distanza di Hamming pari a 4.
Tempi di risposta:
• Alla max velocità (1.25 Mbps) con collegamento punto-punto si
ha un tempo di risposta di 7ms per una variabile di 2 byte.
4.59
Reti di fabbrica
• Su una rete complessa non è possibile prevedere i tempi di
risposta se non in modo statistico.
Il livello 7 (applicazione):
• Si basa sul concetto di network variable (NV): una struttura dati
(temperatura, switch,..., max 31 byte) che il programma
applicativo di un device aspetta di ottenere o rende disponibile a
altri device sulla rete. Il collegamento fra le NV di ingresso con
quelle di uscita (binding) è realizzato in fase di progettazione e
installazione della rete.
• Ogni NV ha un tipo (definisce la struttura, l’unità di misura,...) e
si possono collegare solo NV dello stesso tipo. Per facilitare
l’interoperabilità sono stati definiti gli Standard Network
Variable Types (SNVTs). Ogni oggetto LonMark comunica con
gli altri solo attraverso NV.
• Un oggetto LonMark può essere configurato (customization)
sfruttando tipologie di configurazioni standard (SCPTs Standard Configuration Property Types) come p.e. le bande
d’isteresi, i valori limite max e min, ...
• LonMark stabilisce dei profili funzionali standard basati su
oggetti LonMark (ciascuno implementa una ben precisa funzione
4.60
Reti di fabbrica
- p.e. un regolatore di temperatura) disponibili su ciascun
dispositivo in rete. Questi profili descrivono in dettaglio le NV, le
proprietà di configurazione, i valori di default all’accensione,
ecc...
4.61
Reti di fabbrica
4.2 EIB (European Installation Bus)
• Sistema per il controllo degli edifici
(illuminazione, climatizzazione, sorveglianza, …)
• Standard aperto gestito dall’EIBA (EIB Association)
• Gestione decentralizzata attraverso dispositivi peer to peer.
• Fino a 65536 dispositivi
Topologia della rete:
• Suddivisione logica:
linee (max 256 dispositivi)
aree (max 15 linee)
domini (max 15 aree)
• Topologia fisica qualsiasi:
lineare
ad anello
a stella
ad albero
mista
I media:
• Doppino intrecciato
• Lo stesso doppino porta i segnali e l’alimentazione. Ad ogni
segmento possono essere collegati fino a 64 dispositivi e la
sua lunghezza massima è di 1000 m (max distanza fra
dispositivi è 700 m). Per estendere il segmento si usano
ripetitori (max 3 ogni linea).
• Trasmissione bilanciata, asincrona in banda base
• Velocità di trasmissione: 9600 bps
• CSMA/CA (zero logico dominante)
4.62
Reti di fabbrica
• Altri media: linea di potenza, frequenze radio, infrarossi, fibra
ottica e qualsiasi media previsto nello standard ISO/IEC 802.2
(inclusi ethernet e arcnet).
Il frame e le prestazioni:
• Ogni frame può trasmettere fino a 14 byte con altri 9 byte di
controllo. Si sta studiando un’estensione che permette di
trasmettere fino a 230 byte.
• In polling è possibile leggere 1 byte di dati da 14 dispositivi in
meno di 50ms.
l’indirizzamento:
• fisico (per: inizializzazione, programmazione, diagnostica)
ogni dispositivo sul bus ha un proprio unico indirizzo fisico
definito come area . linea . ID_dispositivo.
• di gruppo (normale funzionamento)
ogni dispositivo può pubblicare più variabili (Group
Communication Objects) che diventano variabili condivise che
possono essere lette /scritte da altri dispositivi realizzando un
link logico fra i dispositivi. In una rete vi possono essere al
massimo 32K variabili condivise. Queste possono essere di
diversa tipologia (booleane, short, long, float, ...) ma non vi sono
restrizioni sul collegamento fra variabili di diverso tipo.
I tool disponibili:
• ETS: EIB Tool Software (ambiente Windows - Gestiti
direttamente dall’associazione EIB)
• ETS End-User’s Edition
Serve per sviluppare un progetto con EIB; vengono importati
i componenti del progetto, connessi e configurati.
• ETS Developer’s Edition
Serve per creare le descrizioni dei componenti che vengono
4.63
Reti di fabbrica
utilizzate nell’ETS End-User’s Edition. Usato dai costruttori
dei dispositivi.
Un esempio: controllo dell’illuminazione in un edificio
Specifiche: illuminazione artificiale attiva dalle 7:30 alle 18:00;
sono previsti sensori di presenza nelle diverse zone dell’edificio ed
un sensore per rilevare la quantità di luce proveniente dall'esterno.
La tabella seguente riassume gli oggetti di comunicazione
(ComObj) e gli indirizzi di gruppo assegnati a ciascuno di essi.
4.64

Dispense del modulo "Reti di fabbrica e impianti aziendali" (appunti

Transcript

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