I bus di campo
nell’automazione industriale
Fabio Giorgi
Universita' di Genova - DIST - GRAAL
Introduzione
• Aspetti di comunicazione nell’automazione
industriale
• Esempio di cella di lavorazione
• Passaggio dal controllo centralizzato al controllo
distribuito
• I bus di campo nei controlli distribuiti
• Alcuni criteri di scelta per i bus di campo
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Introduzione
La comunicazione
nell’automazione industriale
• Integrazione dei processi industriali
• Controllo dei processi
• Pianificazione della produzione
• Manutenzione degli impianti
• Sicurezza
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Introduzione
La comunicazione
nell’automazione industriale
• Problematiche:
• Distanza tra le varie parti dell’impianto
• Standardizzazione dei segnali trasmessi
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Cella di lavorazione
Pressa idraulica
Robot per l’estrazione
dei pezzi stampati
Robot per il posizionamento
dei pezzi grezzi
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Sistema di controllo centralizzato
p
h
rif
Control
rif
rif
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Sistema di controllo distribuito
Remote
Host
p
h
microC
rif
rif
microC
rif
microC
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Aspetti problematici nella realizzazione
di robot di taglia medio/piccola
•I conduttori devono essere
cablati all’interno della
struttura del robot
•Il peso e l’ingombro dei
conduttori non sono
trascurabili
•La meccanica del robot
deve essere
sovradimensionata
•Aumentano le difficoltà
di documentazione
e di manutenzione
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Dettaglio dei cablaggi
interni al robot
AMADEUS
Dettaglio del routing
attraverso il link 3
del robot AMADEUS
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Architettura hardware tradizionale
I moduli di controllo sono posti in un rack
separato dalla struttura del robot
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Architettura hardware distribuita
I moduli di controllo sono
distribuiti sulla
struttura del robot
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Controllo distribuito
Caratteristiche dei controlli distribuiti:
• Unità specifiche per acquisizione e controllo.
• Unità distinte per visualizzazione (consolle operative),
funzioni di archiviazione storica, funzioni di analisi
e/o pianificazione.
• Necessità di disporre di “elettronica” con alte prestazioni
e consumi ridotti, che possa essere portata sul “campo”.
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I bus di campo nel controllo distribuito
Che cos’è un bus di campo?
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Bus di campo
• Bus di campo (fieldbus) è il termine fissato in ambito IEC
(International Electrotechnical Commission) per indicare in
un processo automatizzato lo standard di comunicazione
“seriale” tra i diversi dispositivi (nodi) costituenti il processo,
quali:
- dispositivi di campo (sensori, attuatori, ecc.)
- dispositivi di controllo (PLC, DCS, ecc.)
• La comunicazione tra i nodi è gestita secondo un
protocollo che è caratteristico di ogni tipo di bus di campo
• Il modello ISO/OSI è il riferimento per i protocolli
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Terminologia
Alcuni concetti di base:
Mezzo trasmissivo
Nodo
Messaggio
Modalità Master
Nodo 1
Modalità Slave
Arbitraggio dei conflitti
Nodo 2
Nodo N
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Il modello di riferimento ISO/OSI
User
Process
7 Application
6 Presentation
5 Session
4 Tranport
3 Network
2 Data Link
1 Physical
•Descrizione dell’interfaccia verso l’applicazione
•Conversione di codici e verifica della sintassi
•Gestione delle sessioni di lavoro
•Apertura e chiusura delle connessioni
•Informazioni di routing
•Formato delle trame e verifica di correttezza
•Caratteristiche fisiche (livelli elettrici, codifica…)
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Il modello di riferimento ISO/OSI
• Sistemi aperti:
protocolli di comunicazione nascono dall’esigenza di
collegare e far comunicare apparecchiature
di costruttori diversi
• Non tutte le applicazioni adottano il modello completo
Anche alle elevate velocità di elaborazione dei moderni
µP, l’attraversamento dei 7 livelli richiede tempi
rilevanti, incompatibili con i tempi necessari al
controllo di processo
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Topologia delle reti
Node3
Node2
Node4
Node1
Node5
Node7
Node6
Rete ad anello
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Topologia delle reti
Node3
Node2
Node4
Node1
Node0
Node5
Node6
Node8
Node7
Rete a stella
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Topologia delle reti
Node2
Node1
Node5
Node4
Bus
Node0
Node3
Node6
Topologia a bus
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I bus di campo nei controlli distribuiti
Tipologia dei bus di campo
• Modello Client-Server
Un AP (Applicative Process) è cliente di un
servizio fornito da un altro AP.
Client
Server
1-Richiesta
2-Risposta
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I bus di campo nei controlli distribuiti
Tipologia dei bus di campo
• Modello Producer-(Distributor)-Consumer
Il produttore di un dato lo rende disponibile (eventualmente
su richiesta di un distributore) a tutti i possibili consumatori
o utilizzatori. In tale modello il dato viene diffuso su tutta la
rete in “broadcasting” e quindi ne viene salvaguardata la
consistenza.
Distrib
Prod
1-Richiesta
Cons1
Cons2
2-Broadcast
Bus
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Criteri di scelta dei bus di campo
Tre aspetti fondamentali
• Prestazioni
• Costi
• Tempo di obsolescenza e compatibilità
passata e futura
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Metodi di accesso al bus
Le tre architetture principali
• Master/Slave
• Token Ring
• Multimaster
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Metodi di accesso al bus
Architettura Master/Slave
• Un solo nodo Master
• Tutti gli altri nodi Slave
• Strategia di arbitraggio non necessaria
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Metodi di accesso al bus
Architettura Token Ring
•
•
•
•
•
Struttura ad anello (Ring)
Movimento del testimone (Token)
Quando un nodo è Master
Quando un nodo è Slave
Strategia di arbitraggio non necessaria
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Metodi di accesso al bus
Architettura Multimaster
• Quando un nodo è Master
• Quando un nodo è Slave
• Startegie di arbitraggio: molteplici
Esempi: Ritrasmissione dopo un tempo casuale
Arbitraggio bit a bit
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
Banda passante utile
• Banda passante del mezzo trasmissivo
• Banda passante utile (BPU)
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
BPUmax
Si definisce Massima Banda Passante Utile la
BPU che ha a disposizione un nodo Master
quando in un sistema fieldbus sono presenti
solo due nodi e la trasmissione dati è
monodirezionale
Nodo 1
Flusso dei dati
Nodo 2
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
La variazione della BPU rispetto alla BPUmax
al variare del numero di nodi è un buon
parametro per confrontare le prestazioni delle
diverse architetture
Nodo 1
Flusso dei dati
Nodo 2
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
Andamento della BPU al variare del numero dei nodi
% BPUmax
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
M aster/S lave
T o ken R in g
M u ltiM aster
A rb itrag g io 1
M u ltiM aster
A rb itrag g io 2
Numero di Nodi
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Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza
Tempo di latenza massimo per
eventi asincroni (TLmax)
•
•
•
•
Tempo di latenza evento-messaggio
Ipotesi di priorità massima
Ipotesi del caso peggiore
Definizione del tempo di latenza in termini di
numero di messaggi di ritardo
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Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza
Andamento del TLmax al variare
del numero dei nodi
TLmax
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
M a s te r/S la ve
T o k e n R in g
M u ltiM a ste r
A rb itra g g io 1
M u ltiM a ste r
A rb itra g g io 2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Numero di Nodi
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Costi
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Costi di un sistema bus di campo
Scegliere un fieldbus è solo una
scelta tecnica o è anche una
scelta economica?
•
•
•
•
L’ hardware
Il software
I costi di sviluppo
La manutenzione
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Costi di un sistema bus di campo
I costi dell’hardware
• Il risparmio rispetto alle soluzioni non fieldbus
• La differenza di costo tra due diverse
soluzioni fieldbus:
• I componenti elettronici costano poco se
sono largamente diffusi sul mercato
• Le royalties sul firmware possono fare la
differenza
• Concorrenza tra produttori = risparmio
assicurato
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Costi di un sistema bus di campo
I costi del software
• Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus
• Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus:
• Un software di sviluppo ‘non proprietario’
(drivers e librerie per sistemi operativi
standard) garantisce prezzi ragionevoli
• Le licenze spesso sono un punto critico
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Costi di un sistema bus di campo
I costi di sviluppo
• Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus
• Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus:
• Una piattaforma molto diffusa assicura
buoni strumenti di sviluppo a costo
accettabile
• Compatibilità a livello hardware e
protocolli di alto livello abbassano
notevolmente i tempi di sviluppo
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!
Costi di un sistema bus di campo
I costi di manutenzione
• Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus
• Connettori e cablaggi
• Diagnostica automatica dei sistemi
• Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus:
• Strumenti di sviluppo software
• Compatibilità tra hardware di produttori
differenti
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Tempo di obsolescenza e
compatibilità passata e futura
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"
#
Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo
Tempi di obsolescenza
•
•
•
•
Velocità con cui varia la tecnologia
Vantaggi che offre una nuova tecnologia
Difesa degli investimenti fatti
L’obsolescenza è un fattore meno importante
se si mantiene compatibilità con i sitemi
passati e futuri
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Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo
Compatibilità nel tempo
• 2 soli fattori sono ‘storicamente’ i più
importanti nel valutare quanto compatibile
resterà un sistema nel tempo:
• Numero di produttori
• Numero di utilizzatori
• Grandi consorzi di produttori e consumatori
sono l’unica garanzia per la compatibilità
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$
%
I bus di campo nei controlli distribuiti
Metodi di accesso al bus
• CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)
• Token Ring
• Token Bus
• Arbitrated Access
(La funzione di arbitro del bus può eventualmente essere
ridondata, in modo da garantire il funzionamento del bus in
ogni circostanza)
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Caratteristiche principali dei metodi di accesso
Caratteristiche
principali
CSMA/CD
Token Ring
Token Bus
Arbiter
Tipo di accesso Probabilistico
Sequenziale
Sequenziale
Deterministico
Coordinamento A collisioni
dell’accesso
rilevate e
risolte
A gettone
ciclico senza
priorità
A gettone
Controllato
dall’arbitro
Complessità
dell’accesso
Bassa
Media
Alta
Elevata
Livelli di
priorità
Nessuno
Possibile
Presente
(fisso)
Presente
(variabile)
Velocità di
risposta
Buona/Scarsa
(dipende dal
carico)
Buona dipende Molto Buona
dal # di nodi
con livello di
priorità fisso
Ottima con
livello di priorità
variabile
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&
&