Mastertitelformat bearbeiten Dateiname/Verfas- ser Mastertitelformat bearbeiten 1 La comunicazione nell’ automazione aziendale I bus di campo.

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1 Mastertitelformat bearbeiten Dateiname/Verfas- ser Mastertitelformat bearbeiten 1 La comunicazione nell’ automazione aziendale I bus di campo

2 Mastertitelformat bearbeiten 2 La piramide frattale dell’ automazione AttuatoriSensori PLC AttuatoriSensori Bus PLC AttuatoriSensori PLC AttuatoriSensori Bus PLC DCS Rete Industriale DCS Rete Industriale Supervisore di fabbrica

3 Mastertitelformat bearbeiten 3 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

4 Mastertitelformat bearbeiten 4 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

5 Mastertitelformat bearbeiten 5 Il modello Application Presentation Session Transport Network Data link Physical Application Presentation Session Transport Network Data link Physical

6 Mastertitelformat bearbeiten 6 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

7 Mastertitelformat bearbeiten 7 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

8 Mastertitelformat bearbeiten 8 Lo strato Session Gestisce il collegamento “logico” con la controparte: avvia la sessione di comunicazione, definisce particolari quali le priorità, ecc. Session

9 Mastertitelformat bearbeiten 9 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

10 Mastertitelformat bearbeiten 10 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

11 Mastertitelformat bearbeiten 11 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

12 Mastertitelformat bearbeiten 12 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

13 Mastertitelformat bearbeiten 13 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 Linea telefonica

14 Mastertitelformat bearbeiten 14 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.

15 Mastertitelformat bearbeiten 15 Un esempio/la ricezione Application Presentation Session Transport Network Data link Physical Traduce 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

16 Mastertitelformat bearbeiten 16 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

17 Mastertitelformat bearbeiten 17 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

18 Mastertitelformat bearbeiten 18 Strato fisico - banda base e banda portante 110

19 Mastertitelformat bearbeiten 19 Strato fisico - Topologie A stella A bus lineare Ad albero Ad anello

20 Mastertitelformat bearbeiten 20 Strato fisico/trasmissione sincrona e asincrona Clock Dati Sequenza di sincronismo Trasmissione sincrona Trasmissione asincrona

21 Mastertitelformat bearbeiten 21 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

22 Mastertitelformat bearbeiten 22 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

23 Mastertitelformat bearbeiten 23 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

24 Mastertitelformat bearbeiten 24 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

25 Mastertitelformat bearbeiten 25 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

26 Mastertitelformat bearbeiten 26 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)

27 Mastertitelformat bearbeiten 27 Strato Network - Bridge e Router Rete 1 Rete 2 Rete 3 Bridge / Router

28 Mastertitelformat bearbeiten 28 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

29 Mastertitelformat bearbeiten 29 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”

30 Mastertitelformat bearbeiten 30 Bus di campo aperti: sguardo di insieme Bus di campo Gestione decentrata Gestione centralizzata Token PassingCSMA/CACSMA/CD Topologia ad anello Profibus P-Net CAN LON Bitbus ASI FIP Interbus-S SERCOS

31 Mastertitelformat bearbeiten 31 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

32 Mastertitelformat bearbeiten 32 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 byte Dati…………….. Lunghezza Start Byte Tipo2 Stringa lunghezza variabile

33 Mastertitelformat bearbeiten 33 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

34 Mastertitelformat bearbeiten 34 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

35 Mastertitelformat bearbeiten 35 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

36 Mastertitelformat bearbeiten 36 CANBus - Protocollo Richiesta trasmissione End Byte Bytes di controllo Byte di verifica End byte della verifica Dati...(fino a 8)… … ……….. LunghezzaStart ByteIdentificatore Byte di Ack End byte dell’ Ack

37 Mastertitelformat bearbeiten 37 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

38 Mastertitelformat bearbeiten 38 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

39 Mastertitelformat bearbeiten 39 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

40 Mastertitelformat bearbeiten 40 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

41 Mastertitelformat bearbeiten 41 ASI - Protocollo Chiamata master 1Pausa masterRisposta slave 1Pausa slave……..Chiamata master n Pausa masterRisposta slave nPausa slaveChiamata master sp.Pausa master Risposta slave spPausa slave Ciclo ASI Start bitControl bit5 address bit5 data bitEnd bitParità Chiamata master ASI Start bit4 data bitEnd bitParità Risposta slave ASI

42 Mastertitelformat bearbeiten 42 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

43 Mastertitelformat bearbeiten 43 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

44 Mastertitelformat bearbeiten 44 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

45 Mastertitelformat bearbeiten 45 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