Mastertitelformat
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La comunicazione nell’ automazione
aziendale
I bus di campo
Dateiname/Verfasser
1
La piramide
frattale dell’ automazione
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Supervisore di fabbrica
DCS
DCS
Rete Industriale
PLC
Rete Industriale
PLC
PLC
PLC
Bus
Bus
2
Attuatori
Sensori
Attuatori
Sensori
Attuatori
Sensori
Attuatori
Sensori
La “rete” dell’
automazione
Mastertitelformat
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Dati relativi alla sicurezza
Sistema
gestionale di
fabbrica
Controllore building
automation
Supervisore
Informazioni sulla qualità e
quantità della materia prima
provenienti dal subfornitore
Controllo di
macchina
Comandi manuali per
aumento flessibilità
Richiesta di output da parte
della macchina 2
Controllo di
macchina
Informazioni sul tipo di
lavorazione richiesto
provenienti da altro
stabilimento
3
Il modello bearbeiten
ISO/OSI della comunicazione
Mastertitelformat
Il modello ISO/OSI (International Standard Organization/Open
System Interconnection) è un modello concettuale.
Permette di definire una architettura gerarchica dei sistemi di
comunicazione
I singoli livelli gerarchici possono essere oggetto di
standardizzazione
4
Il modello bearbeiten
Mastertitelformat
Application
Application
Presentation
Presentation
Session
Session
Transport
Transport
Network
Network
Data link
Data link
Physical
Physical
5
Lo strato Application
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Application
E’ lo strato più astratto
E’ l’ unico in cui i dati vengono
considerati per il significato che
hanno
In pratica è l’ ultimo pezzo del
programma applicativo che utilizza
i dati e si preoccupa solo di
“decidere” di inviare o richiedere i
dati
6
Lo strato Presentation
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Presentation
Organizza i dati “logici” dell’
Application in forma adeguata ad
essere trasmessi
Analogamente, organizza i dati
ricevuti dalla trasmissione in
forma tale da essere comprensibili
dall’ Application
7
Lo strato Session
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Session
Gestisce il collegamento “logico”
con la controparte: avvia la
sessione di comunicazione,
definisce particolari quali le
priorità, ecc.
8
Lo strato Transport
Mastertitelformat
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Transport
Verifica la correttezza e la
sicurezza del trasporto, visto
ancora nell’ ottica del trasporto dei
dati “logici”. Assicura cioè che
tutti i pacchetti fisici siano
spediti/arrivati, li combina e
controlla se ci sono errori,
eventualmente li corregge o
rifà/richiede la trasmissione.
9
Lo strato Network
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E’ il primo stato che gestisce
aspetti fisici e non logici della
trasmissione.
Network
Definisce e comunica il percorso
fisico di ogni pacchetto di dati,
cosa fare in caso di indisponibilità
del percorso, ecc.
10
Lo strato Data
Link
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Gestisce logicamente il singolo
pacchetto (protocollo,
assegnazione della linea,
CSMA/CD, CSMA/CA, Token, satrt
e stop bit, ecc.)
E’ lo strato che opera
concretamente la gestione del
canale di comunicazione
Data link
11
Lo strato Physical
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E’ lo strato fisico (l’ “hardware”)
Traduce i bit in segnali elettrici (o
ottici, se è il caso), pilota la linea,
ecc.
Physical
12
Un esempio/topologia
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Supervisore stabilimento 2
Internet
CED di fabbrica 2
Modem
CED di fabbrica 1
Linea telefonica
PLC
PLC
Modem
Bus
Supervisore stabilimento 1
Sensori
Attuatori
Sensori
13
Un esempio/la
trasmissione
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Application
Il software applicativo attiva un segnale del processo
remoto. Il comando viene inoltrato allo strato inferiore
Presentation
Viene aggiornata la tabella degli stati dei segnali che viene
periodicamente inviata. La tabella viene passata allo strato
inferiore
Session
La trasmissione è la prima da un certo tempo. Ai dati viene
aggiunto un messaggio di avvio comunicazione ed una
richiesta di conferma, e il tutto va allo strato inferiore.
Transport
Aggiunge ai dati un codice di controllo, e li passa allo
strato inferiore
Network
Aggiunge ai dati gli indirizzi del percorso (comunicazione
attraverso la linea telefonica), li divide in pacchetti, li
numera, li invia uno alla volta allo strato inferiore
Data link
Per ogni pacchetto accede al modem, verifica la presenza
della portante, eventualmente fa il numero, aspetta il
segnale di libero, invia i bit allo strato inferiore
Physical
Traduce ogni bit in un segnale di tensione, verifica che
non ci siano corti circuiti, sovraccarichi, ecc.
14
Un esempio/la
ricezione
Mastertitelformat
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Riceve il comando di variazione di stato. Lo passa al
software di supervisione, che lo esegue
Acquisisce la tabella di stato dei segnali; rileva la
variazione, e la comunica allo strato superiore
Rileva da parte dei dati che il messaggio gli arriva dal
trasmittente; attiva un processo specifico per gestirlo
(sessione)
Verifica che il messaggio sia giunto integro,
eventualmente ne chiede la ritrasmissione
Application
Presentation
Session
Transport
Riconosce i pacchetti che costituiscono lo stesso
messaggio, li ordina e li accoda. Li passa allo strato
superiore
Network
Si accorge che arriva un messaggio; distingue i bit di dati
dai bit di controllo. Passa i bit di dati allo strato superiore
Data link
Traduce i segnali elettrici in bit. Verifica l’ integrità dell’
hardware. Passa i bit allo strato superiore
Physical
15
Strato fisico
- I mezzi trasmissivi
Mastertitelformat
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– Cavo telefonico: molto economico, con modem distanze anche
molto lunghe, ma velocità basse: pochi kBbyte/s
– Doppino twistato e schermato: molto economico, ok fino a
decine/centinaia di metri e pochi Mbyte/s
– Cavo coassiale: più costoso, sia per l’ acquisto che per la
posa/connessione, fino a centinaia/migliaia di metri e fino a
decine/centinaia di Mbyte/s
– Fibra ottica: molto costosa (un po’ meno in plastica, di più in vetro),
induce costi anche nell’ elettronica, assolutamente immune al
disturbo, ok per migliaia di metri e per centinaia di Mbyte/s fino a
Gigabyte/s
– Radio/infrarosso: mediamente economico (il costo delle
apparecchiature è compensato dalla poca posa), brevi distanze e
basse velocità
16
Strato fisico
- velocità e distanza
Mastertitelformat
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1 Bit
1 Bit
Andamento reale
Andamento teorico
Al crescere delle lunghezze
cavi aumentano i parametri
parassiti, che tendono a ridurre
la lunghezza efficace dei bit.
Analogamente per i fenomeni
di riflessione
17
Strato fisico
- banda base e banda portante
Mastertitelformat
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1
0
1
18
Strato fisico - Topologie
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A stella
A bus lineare
Ad albero
Ad anello
19
Strato fisico/trasmissione sincrona e asincrona
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Trasmissione sincrona
Dati
Clock
Trasmissione asincrona
Sequenza di sincronismo
Dati
20
Strato Databearbeiten
Link - L’ accesso al bus/1
Mastertitelformat
Master-slave
– Un solo elemento (il master) ha facoltà di iniziare la
comunicazione, e sceglie di volta in volta lo slave a cui si
rivolge.
– Lo slave risponde solo quando viene interrogato
– In pratica si realizza logicamente una topologia a stella
– Vantaggi: determinismo, massima libertà di gestione delle
priorità
– Svantaggi: impossibilità di trasmissioni su evento, aumento
dell’ overhead di trasmissione, difficoltà di comunicazione tra
slave
21
Strato Databearbeiten
Link - L’ accesso al bus/2
Mastertitelformat
Token passing
– Gli elementi parlano a turno, passandosi l’ un l’ altro un
messaggio abilitazione (“token”=gettone), e accedendo al bus
solo quando sono in possesso del gettone
– In pratica si realizza logicamente una connessione ad anello
– Vantaggi: Ogni elemento può comunicare quando vuole, e con
chi vuole; la rete non può collassare; il max ritardo all’
accesso è fisso e noto
– Svantaggi: poca efficienza soprattutto per basso numero di
dati trasmessi; non possibili trasmissioni su evento
22
Strato Databearbeiten
Link - L’ accesso al bus/3
Mastertitelformat
CSMA/CD
(Carrier sensing multiple access/collision detection)
– Ogni elemento ascolta il bus. Quando lo sente libero, avvia la
comunicazione. Se due lo fanno insieme, la collisione viene
rilevata, e i due ritentano la trasmissione dopo un intervallo
casuale
– Vantaggi: se il bus è libero si ottiene la massima efficienza
possibile. E’ possibile il colloquio tra tutti gli elementi. E’
possibile la trasmissione su evento
– Svantaggi: i ritardi aumentano rapidamente con il carico del
bus, fino a rendere impossibile la trasmissione. Non possibile
gestire le priorità
23
Strato Databearbeiten
Link - L’ accesso al bus/4
Mastertitelformat
CSMA/CA
(Carrier sensing multiple access/collision arbitration)
– Ogni elemento ascolta il bus. Quando lo sente libero, avvia la
comunicazione. Se due lo fanno insieme, un meccanismo di
arbitrazione permette ad una sola trasmissione di continuare
– Vantaggi: Gli stessi del precedente, con un aumento dell’
efficienza, ed una salvaguardia delle priorità
– Svantaggi: gli stessi del precedente
24
Strato Databearbeiten
Link - L’ accesso al bus/5
Mastertitelformat
Il meccanismo di arbitrazione
L’ accesso elettrico al bus crea di fatto un OR logico.
I messaggi cominciano con una stringa che indica la priorità.
Quando due messaggi vanno in conflitto, quello con priorità più
bassa è il primo a rilevare il conflitto, e si ritira prima dell’ altro.
Es.:
Stringa ad alta priorità
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
Stringa a bassa priorità
OR
0
1
0
1
1
1
Il secondo rileva il conflitto e
sospende la trasmissione
25
Strato Databearbeiten
Link - Il CRC
Mastertitelformat
– CRC: Cyclic Redundancy Code
– Si ottiene shiftando e sommando i bit del messaggio
– Il risultato ha una probabilità estremamente bassa di essere
invariante rispetto agli errori di trasmissione
– La scelta dell’ algoritmo dipende dal fatto che lo shift e la
somma binaria (XOR) sono istruzioni primitive molto rapide
dei microprocessori, e possono addirittura essere fatte via
hardware
– 0+0 =0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0 (+ overflow)
26
Strato Network
- Bridge e Router
Mastertitelformat
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Rete 2
Rete 1
Bridge / Router
Rete 3
27
TCP/IP (Internet)
Mastertitelformat
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– TCP/IP: standard sviluppato dalle Forze Armate USA per la
interconnessione di eti
– Nato prima che il modello ISO/OSI si affermasse, non lo
segue; ma a conferma della sua validità, ci assomiglia molto
– Copre le funzionalità di tutti i livelli, e permette la connessione
di sistemi basati in reti diverse connesse attraverso ulteriori
reti
– Su di esso è basata Internet
– Internet di fatto rende completamente trasparente all’ utente
tutto ciò che riguarda la connessione
28
I bus di campo
Mastertitelformat
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– I bus di campo sono una implementazione delle
comunicazioni estremamente importanti nella tecnica dell’
automazione
–
Si collocano alla base della piramide dell’ automazione, e
offrono un’ alternativa estremamente efficace ai cablaggi
punto a punto
– Ne esistono vari, dotati di caratteristiche tecniche diverse, che
li rendono adatti ad applicazioni diverse
– Si parla da anni di una unificazione e di una
standardizzazione, ma la realtà delle cose spinge in altre
direzioni
– Bus: “sbarra”
– Concetto di bus di campo “aperto”
29
Bus di campo
aperti: sguardo di insieme
Mastertitelformat
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Bus di campo
Gestione centralizzata
Gestione decentrata
Token Passing
Profibus
CSMA/CA
CAN
Topologia ad anello
ASI
Interbus-S
Bitbus
SERCOS
CSMA/CD
LON
FIP
P-Net
30
Profibus (Process
Field Bus)
Mastertitelformat
bearbeiten
– Strato fisico RS485 - Esiste versione in f.o
– Topologia lineare
– Token passing tra master, master-slave tra i master e gli slave
– Velocità di trasmissione: fino a 12 Mbit/s
– Esiste in varie implementazioni del livello 7. La più complessa
è Profibus FMS, la più diffusa Profibus DP; Profibus PA è per l’
automazione di processo)
– Implementazione su chip appositi
31
Profibus - bearbeiten
Protocollo
Mastertitelformat
Start Byte
Indirizzo
Indirizzo
Byte
Byte di
End
Tipo 1
destinatario
mittente
controllo
verifica
byte
Stringa senza dati
Start Byte
Indirizzo
Indirizzo
Byte
Tipo3
destinatario
mittente
controllo
Dati……………..
11 byte
Start Byte
Tipo2
Lunghezza Lunghezza
Dati……………..
Byte di
End
verifica
byte
Stringa lunghezza fissa
Start Byte
Indirizzo
Indirizzo
Byte
Tipo2
destinatario
mittente
controllo
Byte di
End
verifica
byte
Stringa lunghezza variabile
32
Profibus - bearbeiten
Applicazioni e commenti
Mastertitelformat
– Sufficientemente complesso, flessibile e strutturato da
realizzare, volendo, un sistema di controllo distribuito
– Molto diffuso, soprattutto per realizzare periferia decentrata
– In grado di gestire efficacemente slave intelligenti
– Non è in grado di gestire comunicazioni deterministiche, ma è
in preparazione una versione sincrona (Profibus MC)
– Utilizzato in pratica in tutte le applicazioni di automazione, sia
macchine che impianti, da una certa complessità in su
33
P-net
Mastertitelformat
bearbeiten
– Origine danese
– Strato fisico RS-485
– Topologia ad anello, con possibilità di gateway
– Accesso al bus Token Passing tra master, master-slave tra master e
slave
– Implementazione su controllori general-purpose
– Molto poco diffuso
Start Bit
Dati 1
Indirizzo
destinatario/
mittente
…….
Dati 8
Contollo/
Lunghezza
stato
dati
Indirizzo/
End
dato
byte
Carattere
1
……..
Carattere P-Net
Carattere
n
Byte di
verifica
Messaggio P-Net
34
CAN-Bus (Controller
Mastertitelformat
bearbeiten Area Network)
– Nato dalla Bosch per il settore automobilistico
– Strato fisico: una versione modificata dell’ RS485
– Topologia lineare
– Accesso al bus CSMA/CA (occorre curare le identificazioni dei
master)
– Limitate funzionalità master-slave
– Throughput lordo: 1 Mbit/s
– Max 64 nodi per segmento di bus (esistono repeater)
– Implementazione su chip appositi
– Costo relativamente basso
35
CANBus - bearbeiten
Protocollo
Mastertitelformat
Lunghezza
Start Byte
Byte di
verifica
Identificatore
End byte
della
verifica
Richiesta
Bytes di
trasmissione controllo
Byte di
Ack
End byte
dell’ Ack
Dati ...(fino a 8)…
… ………..
End Byte
36
CANbus - bearbeiten
Applicazioni e commenti
Mastertitelformat
– Gradito per il basso costo, a sua volta dovuto ai grandi
numeri generati dal’ applicazione nel mercato dell’ auto
– Non adatto a comunicazioni tra master, per il basso numero di
dati contenuti nel messaggio
– Non adatto ad applicazioni in tempo reale stretto, per la
mancanza di sincronismo e per la bassa velocità di
trasmissione
– Ha una certa diffusione l’ implementazione Device Net
37
LON
Mastertitelformat
bearbeiten
– Proposto dalla Echelon americana
– Strato fisico: qualunque, utilizzando l’ opportuno transceiver
– Accesso al bus: CSMA/CD
– Sottoreti fino a 128 nodi, con router fino a 32.000 nodi
– Velocità di trasmissione: fino a 1,25 Mbit/s, ma limitata dai
mezzi trasmissivi
– Protocollo molto sofisticato, perché copre i 7 livelli ISO/OSI
– Implementazione mediante chip appositi e adeguato ambiente
di sviluppo
38
LON - Applicazioni
e commenti
Mastertitelformat
bearbeiten
– Adatto ad applicazioni di supervisione e telecontollo
– Adatto ad ambienti particolari (trasmissioni radio, su cavo di
potenza, su infrarosso, ecc.)
– Non adatto a processi in tempo reale
– Non adatto a gestire periferia decentrata
– Adatto ad applicazioni verso il vertice della piramide dell’
automazione
– Adatto ad alcune applicazioni particolari di building
automation
39
ASI (Actuator
Sensor Interface)
Mastertitelformat
bearbeiten
– Strato fisico: doppino non schermato
– Accesso al bus: Master + 31 slave
– Alimentazione degli slave e dati sullo stesso cavo
– Lunghezza max 100 m
– Velocità max 167 kbit/s
40
ASI - Protocollo
Mastertitelformat
bearbeiten
Chiamata master 1
Pausa master
Pausa master
Risposta slave sp
Risposta slave 1
Risposta slave n
Pausa slave
Pausa slave
Start bit
Control bit
……..
Pausa slave
Chiamata master n
Chiamata master sp.
Pausa master
Ciclo ASI
5 address bit
5 data bit
Parità
End bit
Chiamata master ASI
Start bit
4 data bit
Parità
End bit
Risposta slave ASI
41
Bitbus e FIP
Mastertitelformat
bearbeiten
– Bitbus: introdotto da Intel nel 1984 ha come caratteristica
interessante il fatto che i chip sono programmabili, con un
apposito sistema operativo, il che consente una certa
flessibilità locale
– FIP: sofisticato, permette una architettura con intelligenza
distribuita; ma ha una diffusione molto limitata
42
Interbus-Sbearbeiten
Mastertitelformat
– Introdotto dalla Phoenix Contact
– Topologia ad anello
– Il messaggio è unico, ed ogni slave inserisce i propri dati nello
slot temporale a lui assegnato
– La trasmissione è sincrona
– Il sistema è molto adatto alla comunicazione con periferia
decentrata
– I tempi di risposta sono rapidi per pochi dati, e deterministici
43
SERCOS (Serial
Real Time Comunication System)
Mastertitelformat
bearbeiten
– Strato fisico: fibra ottica
– Topologia: anello, con rigenerazione del segnale
– Accesso al bus: deterministico, con assegnazione di slot
temporali
– Max numero di nodi 245
– Max velocità di trasmissione: 8 Mbit/s
– Max distanza: indefinita, fino a 250 m tra slave e slave
– Molto adatto a applicazioni real-time, come la gestione del
Motion Control degli azionamenti.
– Molto costoso
44
La tendenza
Mastertitelformat
bearbeiten
– La crescita esponenziale delle prestazioni delle interfacce
general purpose (Ethernet, ecc.), e la contemporanea
diminuzione del prezzo, sta introducendo una tendenza all’
utilizzo di queste ultime, che compensano con l’ eccesso di
prestazioni e i bassi costi il fatto di non essere
concettualmente adatte all’ impiego in automazione
– Contemporaneamente resta una ampia fascia di applicazioni
per le quali il fatto di essere aperto non costituisce un pregio
particolare per il bus; in questi casi resistono, e resisteranno,
soluzioni “proprietarie” ottimizzate per costo e prestazioni (ad
esempio il Simolink della Siemens
45