Integrazione dell'Informazione
nell'Automazione Industriale
 Vantaggi dell'integrazione delle informazioni:
 ottimizzazione e pianificazione dei processi produttivi:
migliore utilizzo delle risorse
riduzione del tempo di produzione
 semplificazione dell'installazione e manutenzione
ad esempio taratura a distanza e rilevamento guasti
 massima flessibilità di produzione
riconfigurazione del sistema a nuove lavorazioni in tempi brevi
 miglioramento del controllo della qualità
controllo di ogni singolo prodotto invece che solo alcuni campioni
Integrazione dell'Informazione
nell'Automazione Industriale
 Integrazione delle informazioni nei sottosistemi di
lavorazione:
 uso di dispositivi di controllo il più possibile
standardizzati dal punto di vista dei segnali I/O
 gestione dei flussi informativi tra i vari dispositivi
(hardware/software)
 coordinamento e supervisione
Computer Integrated Manufacturing
CIM
 E' il modello di riferimento per la realizzazione
dell'integrazione delle informazioni
 Si basa sul concetto di dividere le attività in livelli
gerarchici
 Vengono definiti gli scambi informativi all'interno di
ciascun livello
 Vengono definiti gli scambi informativi tra i livelli
Computer Integrated Manufacturing
CIM
Gestione
Azienda
Gestione Stabilimento
Supervisione Integrata
Supervisione di Cella (Cell Area)
Sistemi di Controllo (Field Area)
Piano di Officina (Sensor/Actuator Area)
Flusso Informativo Tipico di Ciascun Livello:
Quantità
di Dati
MByte
Durata della Trasmissione
Ore/Minuti
Frequenza della
Trasmissione
Giorni/Turni
KByte
Secondi
Ore/Minuti
Area di Campo (Field)
Byte
Centinaia s... 100ms
10..100 ms
Area Attuatori/Sensori
Bit
s...ms
ms
Gestione e Supervisione
Area di Cella
Sistemi di Comunicazione nell'Automazione
Industriale
 Sono necessari differenti sistemi di comunicazione
per soddisfare le differenti esigenze di trasmissione
nei livelli del CIM
 informazioni semplici ma ad alta frequenza, nei livelli
bassi;
 informazioni complesse ma con minore frequenza, nei
livelli alti
 Non è necessaria la corrispondenza uno-a-uno tra
ciascun livello CIM e un sistema di comunicazione
 Un sistema di comunicazione può essere utilizzato per
gestire il flusso informativo di uno o più livelli adiacenti
Sistemi di Comunicazione nell'Automazione
Industriale
 In genere possono essere individuate tre categorie di
reti:
 Rete per le Informazioni
 Rete per il Controllo
 Rete per il Campo
Sistemi di Comunicazione nell'Automazione
Industriale
 In genere possono essere individuate tre categorie di
reti:
 Rete per le Informazioni
 Comunicazione tra dispositivi dedicati alla Supervisione Integrata
e alla Gestione dello Stabilimento e dell'Azienda
 I dispositivi utilizzati sono PC e/o Workstation
 Le informazioni trasmesse sono complesse, e composte da molti
bytes
 Le frequenze di trasmissione non sono alte e non è necessario
assicurare la trasmissione entro intervalli tempo-critici
 Tipicamente sono utilizzate: Ethernet+TCP/IP
 Rete per il Controllo
 Rete per il Campo
Sistemi di Comunicazione nell'Automazione
Industriale
 In genere possono essere individuate tre categorie di
reti:
 Rete per le Informazioni
 Rete per il Controllo
 Comunicazione tra dispositivi a livello di Supervisione di Cella e
di Field Area
 I dispositivi utilizzati sono PC, PLC, DCS (Distributed Control
System)
 Le informazioni trasmesse non sono complesse
 Le frequenze di trasmissione sono alte (sec o centinaia di msec)
 E' necessario assicurare la trasmissione entro intervalli tempo-critici
 Possono essere utilizzati sistemi tradizionali (come RS 485 e 420mA) o reti orientate all'automazione industriale
 Rete per il Campo
Sistemi di Comunicazione nell'Automazione
Industriale
 In genere possono essere individuate tre categorie di
reti:
 Rete per le Informazioni
 Rete per il Controllo
 Rete per il Campo
 Comunicazione tra dispositivi al livello di Field Area e all'Area
Sensori/Attuatori
 I dispositivi utilizzati sono PLC, sensori ed attuatori
 Le informazioni trasmesse sono molto semplici (bits)
 Le frequenze di trasmissione sono molto alte (msec.)
 E' necessario assicurare la trasmissione entro intervalli tempo-critici
(schedule dell'ordine di msec.)
 Possono essere utilizzati sistemi tradizionali (come RS 485 e 420mA) o reti orientate all'automazione industriale
Soluzioni Classiche di Comunicazione
 Soluzione Analogica:
 collegamenti analogici punto-punto (standard 4-20 mA)
 generalmente per collegare sensori/attuatori a PLC (Reti
per il Campo)
 Soluzione Digitale:
 collegamenti digitali Master/Slave con seriale (standard
RS 232, RS 422, RS 485)
 generalmente per collegare PLC con PLC/PC (Reti per il
Controllo)
Standard 4-20 mA
 Nasce dalla:
 necessità di trasportare segnali analogici da sensori verso
PLC e da PLC verso attuatori
 diversità dei segnali analogici generati dai sensori e da
inviare agli attuatori (valori in tensione o in corrente, e
diversità di intervalli di valore)
 necessità di una standardizzazione dei segnali
Standard 4-20 mA
 Caratteristiche dello Standard 4-20 mA:
 si basa su codifica basata su corrente, perché un segnale
analogico rappresentato da corrente elettrica è meno
sensibile ai rumori rispetto un segnale rappresentato da
tensione
 un segnale analogico è rappresentato da una corrente che
può assumere valori compresi tra 4 e 20 mA.
 Esempio: un sensore di pressione fornisce valori di
pressione tra 0 e 10 bar. Una pressione di 8 bar viene
rappresentata dalla corrente di valore pari a:
(20-4)*8/10+4 = 12.8+4 = 16.8 mA
Standard 4-20 mA

Schema di collegamento a due fili tra il trasmettitore ed il
ricevitore
 l'alimentazione DC (24-30 V) non è quasi mai disponibile nel trasmettitore
(sensore ad esempio). Generalmente l'alimentazione è locale al ricevitore
(PLC ad esempio)
 la corrente viene convertita in tensione (tramite opportuna resistenza)
localmente al ricevitore
 vantaggio della codifica del minimo valore di corrente (4 mA): nel caso di
guasto (trasmettitore guasto o interruzione di linea) il valore di 0 mA viene
convertito in 0V, permettendo l'individuazione del guasto.
4-20 mA
Trasmettitore
+
DC
Ricevitore
-
Standard Seriale di Comunicazione
RS 232, RS 422, RS 485
 Caratteristiche comuni:
 Standard per trasmissioni binarie (maggiore immunità ai
disturbi)
 Codifica del segnale digitale in valori di tensione
Standard Seriale di Comunicazione RS 232
 Definito dallo standard ANSI/EIA-232-D
 "Interface Between Data Terminal Equipment and DataCircuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary
Data Interchange“
 Ideato per la connessione DTE-DCE (PC-modem)
 Può essere utilizzato anche per la connessione DTEDTE
 Utilizza la tipologia di trasmissione "Unbalanced":
 Vi è una sola linea per la trasmissione
 Il valore logico trasmesso è codificato dal valore della
tensione della linea riferita alla terra
Standard Seriale di Comunicazione RS 232
 Ha un limite sulla distanza massima (50 ft.15 m)
 Ha un limite sul bit/rate (20 Kb/s)
 Numero di Trasmettitori (T) = 1
 Numero di Ricevitori (R) = 1
 Esempi di valori di tensione riconosciuti dal
Ricevitore:
 Valore Logico 0
 Valore Logico 1
 Zona di Indecisione
T
+3
-3
-3



+25 Volts
-25 Volts
+3 Volts
R
Standard Seriale di Comunicazione RS 422
 Definito dallo standard EIA RS-422-A
 "Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital
Interface Circuits “
 Ideato per la connessione di più dispositivi (un
Trasmettitore e più Ricevitori)
 Utilizza una tipologia di trasmissione "Differenziale".
 Vengono usate due linee per la trasmissione di un segnale.
 Il valore logico trasmesso è codificato dal valore relativo
delle tensione delle linee.
 “La trasmissione "Differenziale" ha il vantaggio di
essere più immune ai disturbi
Standard Seriale di Comunicazione RS 422
Valore Logico
Tensione Linea A
1
Negativa rispetto alla Tensione sulla Linea B
0
Positiva rispetto alla Tensione sulla Linea B
A
R
T
B
Standard Seriale di Comunicazione RS 422
 La maggiore immunità ai disturbi permette di:
raggiungere distanze di 4000 ft 1.2 Km.
avere bit/rate superiori (10 Mb/s)
 Numero di Trasmettitori = 1
 Numero di Ricevitori (max) = 10
 Esempi di valori di tensione:
 Valore Logico 0 per il Ricevitore
VAB
 Valore Logico 1 per il Ricevitore
VAB
 Zona di Indecisione per il Ricevitore VAB
+200mV+6Volts
-200mV-6Volts
-200mV+200mV
Standard Seriale di Comunicazione RS 485
 Definito dallo standard EIA 485
 "Standard for Electrical Characteristics of Generator and
Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint
Systems“
 Ideato per la connessione di più dispositivi (più
Trasmettitori e più Ricevitori)
 utilizza una tipologia di trasmissione "Differenziale"
 distanze di 4000 ft.
 bit/rate di 10 Mb/s
 numero di Trasmettitori (max) = 32
 numero di Ricevitori (max)= 32
Standard Seriale di Comunicazione RS 485
 E' possibile creare reti multidrop caratterizzate dalla
presenza di 32 coppie di ricevitori/trasmettitori (al
massimo)
 E' necessaria la presenza di un Master (schema di
comunicazione Master/Slave)
 Ogni Trasmettitore deve prevedere un ingresso di
Enable, al fine di poter disconnettersi dalla
trasmissione (Tristate)
 La realizzazione di reti con un numero di stazioni >
32 può essere realizzata tramite ripetitori (es.
Profibus DP)
Standard Seriale di Comunicazione RS 485
Valore Logico
Tensione Linea A
1
Negativa rispetto alla Tensione sulla Linea B
0
Positiva rispetto alla Tensione sulla Linea B
A
Enable
T
B
R
Architetture per la Connessione Seriale
basata su RS 485
 Half-Duplex (due fili)
 Full-Duplex (quattro fili)
Reti di Comunicazione Orientate
all'Automazione Industriale
 Nascono dai limiti delle soluzioni classiche:
 complessità
nel
cablaggio,
documentazione
e
manutenzione (4-20 mA)
 costi del cablaggio (4-20 mA)
 difficoltà nell'espansione e nella riconfigurazione (4-20
mA & RS-485)
 assenza di protocolli di comunicazione standard




Problema della codifica dei dati (soprattutto con RS-485)
Gestione Errori di Trasmissione
Gestione dell'accesso al mezzo fisico condiviso (e.g.RS-485)
Servizi di comunicazione standard per lo sviluppo di programmi
(e.g.dll)
 Interoperabilità e intercambiabilità
Reti di Comunicazione Orientate
all'Automazione Industriale
 Sono sistemi di comunicazione tipicamente basati su
trasmissione digitale seriale (RS-485)
 A volte possono integrare anche standard 4-20mA
 Hanno tipicamente topologia a bus
 Possono presentare connessioni a stella (4-20mA)
 Oltre alla definizione di uno standard di
comunicazione di tipo Fisico, presentano alcuni dei
livelli OSI
 Livello Fisico
 Livello Data Link
 Livello Application
Reti di Comunicazione Orientate
all'Automazione Industriale
 Sono dotati di funzioni utente (User Level) assai
complesse ed orientate all'automazione industriale:
 Sincronizazione
 Schedulazione Real-Time
 Gestione di anomalie e taratura di dispositivi
 Facilitazione nelle installazione e rimozione di dispositivi
 Comunicazioni uno-a-uno, uno-a-molti, uno-a-tutti
 Distribuzione del controllo, basata su dispositivi
"intelligenti"
Sensore di temperatura con funzionalità di diagnostica interna
Valvola dotata di regolatore di portata di tipo PID, con auto
diagnostica
Reti di Comunicazione Orientate
all'Automazione Industriale
 Area di Utilizzo:
 collegamento di dispositivi di controllo industriale e di
supervisione (Cell Area e Field Area)
 collegamento di dispositivi di controllo industriale e
relativi all'area sensori/attuatori (Field Area e
Sensor/Actuator Area)
 Attuali Limiti:
 costi dei dispositivi
 difficoltà "mentale" e "tecnica" nella modifica degli
impianti attuali
 mancanza di un unico standard di comunicazione (IEC
61158: uno, nessuno e una decina ! )
Reti Orientate all'Automazione Industriale
Le diverse esigenze presenti nei livelli CIM ha determinato la
nascita di tre tipologie di reti:
Bus di Sensori
Collega dispositivi non intelligenti
Lunghezza tipica dei messaggi è inferiore al byte
Collega dispositivi non intelligenti e quelli con funzioni "intelligenti" di
diagnostica
Bus di Dispositivi
Lunghezza tipica dei messaggi è inferiore a 16-32 byte
Bus di Campo
Orientato a dispositivi "intelligenti"
Gestione Real-Time di Schedulazione e
accesso data base distribuito
Lunghezza tipica dei messaggi è di
centinaia di bytes.
Reti Orientate all'Automazione Industriale
Controllo,
Supervisione
Bus di Campo
PLC
Bus di
Dispositivi
PLC,
dispositivi intelligenti
Sensori
Bus di
Sensori
bit
8
bytes
30
messaggi
256
file
BatiBus, InterBus-S, CAN (DeviceNet), LONWorks
InterBus-S, CAN, LONWorks, Profibus DP-PA-FMS, WorldFIP
Profibus PA-FMS, WorldFIP, FieldBus Fondation
Ethernet
bit