Excellencein Automation&Drives: Siemens A A&D MC, masserini98.ppt, 10.09.99, slide 1 von 8 Siemens AG 1998. All rights reserved. © La comunicazione nell’

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Siemens AG 1998. All rights reserved.©

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

Presentation


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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.

Session


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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

Data link


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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

Session

Transport

Network

Data link

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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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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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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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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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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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


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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


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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

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