La comunicazione nell’ automazione aziendale I bus di campo

La piramide frattale dell’ automazione Supervisore di fabbrica DCS Rete Industriale DCS Rete Industriale PLC PLC PLC Attuatori Sensori Bus PLC Bus Attuatori Sensori Attuatori Sensori Attuatori Sensori

La “rete” dell’ automazione Dati relativi alla sicurezza Sistema gestionale di fabbrica Controllore building automation Supervisore Informazioni sulla qualità e quantità della materia prima provenienti dal subfornitore Comandi manuali per aumento flessibilità Richiesta di output da parte della macchina 2 Controllo di macchina Controllo di macchina Informazioni sul tipo di lavorazione richiesto provenienti da altro stabilimento

Il modello ISO/OSI della comunicazione 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

Application Application Presentation Presentation Session Session Il modello Application Application Presentation Presentation Session Session Transport Transport Network Network Data link Data link Physical Physical

E’ lo strato più astratto 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

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 Presentation

Lo strato Session Gestisce il collegamento “logico” con la controparte: avvia la sessione di comunicazione, definisce particolari quali le priorità, ecc. Session

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

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

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 Data link

E’ lo strato fisico (l’ “hardware”) 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

Supervisore stabilimento 2 Supervisore stabilimento 1 Un esempio/topologia Supervisore stabilimento 2 Internet CED di fabbrica 2 Modem CED di fabbrica 1 Linea telefonica Sensori PLC Attuatori Bus Modem Supervisore stabilimento 1

Un esempio/la trasmissione Il software applicativo attiva un segnale del processo remoto. Il comando viene inoltrato allo strato inferiore Application Viene aggiornata la tabella degli stati dei segnali che viene periodicamente inviata. La tabella viene passata allo strato inferiore Presentation 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. Session Aggiunge ai dati un codice di controllo, e li passa allo strato inferiore Transport 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 Network 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 Data link Traduce ogni bit in un segnale di tensione, verifica che non ci siano corti circuiti, sovraccarichi, ecc. Physical

Un esempio/la ricezione Riceve il comando di variazione di stato. Lo passa al software di supervisione, che lo esegue Application Acquisisce la tabella di stato dei segnali; rileva la variazione, e la comunica allo strato superiore Presentation Rileva da parte dei dati che il messaggio gli arriva dal trasmittente; attiva un processo specifico per gestirlo (sessione) Session Verifica che il messaggio sia giunto integro, eventualmente ne chiede la ritrasmissione 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

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

Strato fisico - velocità e distanza 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

Strato fisico - banda base e banda portante 1 1

Strato fisico - Topologie A bus lineare A stella Ad albero Ad anello

Strato fisico/trasmissione sincrona e asincrona Dati Clock Trasmissione asincrona Sequenza di sincronismo Dati

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

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

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

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

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.: Stringa ad alta priorità Stringa a bassa priorità OR 1 1 1 1 Il secondo rileva il conflitto e sospende la trasmissione

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)

Strato Network - Bridge e Router Rete 2 Rete 1 Bridge / Router Rete 3

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

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”

Bus di campo aperti: sguardo di insieme Gestione decentrata Gestione centralizzata Token Passing CSMA/CA CSMA/CD Topologia ad anello Profibus P-Net CAN LON Bitbus ASI FIP Interbus-S SERCOS

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

Stringa lunghezza fissa Stringa lunghezza variabile Profibus - Protocollo Start Byte Tipo 1 Indirizzo destinatario mittente Byte controllo Byte di verifica End byte Stringa senza dati Start Byte Tipo3 Indirizzo destinatario mittente Byte controllo Byte di verifica End byte Stringa lunghezza fissa Dati…………….. 11 byte Start Byte Tipo2 Indirizzo destinatario mittente Byte controllo Byte di verifica End byte Dati…………….. Lunghezza Stringa lunghezza variabile

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

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 8 Indirizzo/ dato End byte Carattere P-Net Indirizzo destinatario/ mittente Contollo/ stato Lunghezza dati Carattere 1 Byte di verifica Carattere n …….. Messaggio P-Net

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

End byte della verifica CANBus - Protocollo Lunghezza Start Byte Identificatore Richiesta trasmissione Bytes di controllo Dati ...(fino a 8)… … ……….. Byte di verifica End byte della verifica Byte di Ack End byte dell’ Ack End Byte

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

LON 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

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

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

ASI - Protocollo Ciclo ASI Chiamata master ASI Risposta slave ASI Pausa master Risposta slave 1 Pausa slave …….. Chiamata master n Risposta slave n Chiamata master sp. Risposta slave sp Ciclo ASI Start bit Control bit 5 address bit 5 data bit End bit Parità Chiamata master ASI Start bit 4 data bit End bit Parità Risposta slave ASI

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

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

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

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