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La comunicazione nell’ automazione aziendale
I bus di campo
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La piramide frattale dell’ automazione
Attuatori Sensori
PLC
Attuatori Sensori
Bus
PLC
Attuatori Sensori
PLC
Attuatori Sensori
Bus
PLC
DCS
Rete Industriale
DCS
Rete Industriale
Supervisore di fabbrica
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La “rete” dell’ automazione
Controllo di macchina
Sistema gestionale di
fabbrica
Controllo di macchina
Controllore building automation
Richiesta di output da parte della macchina 2 Informazioni sul tipo di
lavorazione richiesto provenienti da altro stabilimento
Dati relativi alla sicurezza
Informazioni sulla qualità e quantità della materia prima provenienti dal subfornitore
Supervisore
Comandi manuali per aumento flessibilità
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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
Il modello ISO/OSI della comunicazione
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Il modello
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
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Lo strato Application
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
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Lo strato 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
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Lo strato Session
Gestisce il collegamento “logico” con la controparte: avvia la sessione di comunicazione, definisce particolari quali le priorità, ecc.
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Lo strato 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.
Transport
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Lo strato Network
E’ il primo stato che gestisce aspetti fisici e non logici della trasmissione.
Definisce e comunica il percorso fisico di ogni pacchetto di dati, cosa fare in caso di indisponibilità del percorso, ecc.
Network
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Lo strato Data Link
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
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Lo strato Physical
E’ lo strato fisico (l’ “hardware”)
Traduce i bit in segnali elettrici (o ottici, se è il caso), pilota la linea, ecc.
Physical
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Un esempio/topologia
Sensori
PLC
Attuatori Sensori
Bus
PLC
Supervisore stabilimento 1
Supervisore stabilimento 2
CED di fabbrica 1
CED di fabbrica 2
Internet
Modem
Modem
Linea telefonica
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Un esempio/la trasmissione
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Il software applicativo attiva un segnale del processo remoto. Il comando viene inoltrato allo strato inferiore
Viene aggiornata la tabella degli stati dei segnali che viene periodicamente inviata. La tabella viene passata allo strato inferiore
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.
Aggiunge ai dati un codice di controllo, e li passa allo strato inferiore
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
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
Traduce ogni bit in un segnale di tensione, verifica che non ci siano corti circuiti, sovraccarichi, ecc.
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Un esempio/la ricezione
Application
Presentation
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Transport
Network
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PhysicalTraduce i segnali elettrici in bit. Verifica l’ integrità dell’ hardware. Passa i bit allo strato superiore
Si accorge che arriva un messaggio; distingue i bit di dati dai bit di controllo. Passa i bit di dati allo strato superiore
Riconosce i pacchetti che costituiscono lo stesso messaggio, li ordina e li accoda. Li passa allo strato superiore
Verifica che il messaggio sia giunto integro, eventualmente ne chiede la ritrasmissione
Rileva da parte dei dati che il messaggio gli arriva dal trasmittente; attiva un processo specifico per gestirlo (sessione)
Acquisisce la tabella di stato dei segnali; rileva la variazione, e la comunica allo strato superiore
Riceve il comando di variazione di stato. Lo passa al software di supervisione, che lo esegue
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Strato fisico - I mezzi trasmissivi
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
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Strato fisico - velocità e distanza
1 Bit 1 Bit
Andamento teorico
Andamento reale
Al crescere delle lunghezze cavi aumentano i parametri parassiti, che tendono a ridurre la lunghezza efficace dei bit. Analogamente per i fenomeni di riflessione
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Strato fisico - banda base e banda portante
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Strato fisico - Topologie
A stella
A bus lineare
Ad albero
Ad anello
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Strato fisico/trasmissione sincrona e asincrona
Clock
Dati
Dati
Sequenza di sincronismo
Trasmissione sincrona
Trasmissione asincrona
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Strato Data Link - L’ accesso al bus/1
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
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Strato Data Link - L’ accesso al bus/2
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
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Strato Data Link - L’ accesso al bus/3
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
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Strato Data Link - L’ accesso al bus/4
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
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Strato Data Link - L’ accesso al bus/5
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.:
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
Stringa ad alta priorità
Stringa a bassa priorità
OR
Il secondo rileva il conflitto e sospende la trasmissione
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Strato Data Link - Il CRC
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)
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Strato Network - Bridge e Router
Rete 1Rete 2
Rete 3
Bridge / Router
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TCP/IP (Internet)
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
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I bus di campo
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”
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Bus di campo aperti: sguardo di insieme
Bus di campo
Gestione decentrata Gestione centralizzata
Token Passing CSMA/CA CSMA/CD
Topologia ad anello
Profibus
P-Net
CAN LON
Bitbus
ASI
FIP
Interbus-S
SERCOS
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Profibus (Process Field Bus)
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
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Profibus - Protocollo
Start Byte
Tipo 1
Indirizzo
destinatario
Indirizzo
mittente
Byte
controllo
Byte di
verifica
End
byte
Stringa senza dati
Start Byte
Tipo3
Indirizzo
destinatario
Indirizzo
mittente
Byte
controllo
Byte di
verifica
End
byte
Stringa lunghezza fissa
Dati……………..
11 byte
Start Byte
Tipo2
Indirizzo
destinatario
Indirizzo
mittente
Byte
controllo
Byte di
verifica
End
byteDati……………..
Lunghezza LunghezzaStart Byte
Tipo2
Stringa lunghezza variabile
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Profibus - Applicazioni e commenti
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
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P-net
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 ……. Dati 8Indirizzo/
dato
End
byteCarattere P-Net
Indirizzo
destinatario/
mittente
Contollo/
stato
Lunghezza
datiCarattere
1Byte di
verificaCarattere
n…….. Messaggio P-Net
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CAN-Bus (Controller 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
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CANBus - Protocollo
Richiesta
trasmissione
End Byte
Bytes di
controllo
Byte di
verifica
End byte della
verifica
Dati ...(fino a 8)… … ………..Lunghezza Start Byte Identificatore
Byte di
AckEnd byte dell’ Ack
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CANbus - Applicazioni e commenti
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
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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
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LON - Applicazioni e commenti
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
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ASI (Actuator Sensor Interface)
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
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ASI - Protocollo
Chiamata master 1 Pausa master Risposta slave 1 Pausa slave …….. Chiamata master n
Pausa master Risposta slave n Pausa slave Chiamata master sp. Pausa master
Risposta slave sp Pausa slave Ciclo ASI
Start bit Control bit 5 address bit 5 data bit End bitParità
Chiamata master ASI
Start bit 4 data bit End bitParità
Risposta slave ASI
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Bitbus e FIP
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
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Interbus-S
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
ExcellenceinAutomation&Drives:
Siemens
A A
&D
MC
, m
asse
rini9
8.pp
t, 1
0.09
.99,
slid
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4 vo
n 8
Siemens AG 1998. All rights reserved.©
SERCOS (Serial Real Time Comunication System)
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
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La tendenza
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