I FIELDBUS PROFIBUS. ITS Meccatronico Reti per l automazione 1

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1 I FIELDBUS PROFIBUS ITS Meccatronico Reti per l automazione 1

2 SOMMARIO Architettura di Profibus Data Link Layer FDL Application Layer FMS Profibus DP ITS Meccatronico Reti per l automazione 2

3 Un po di storia Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco norma DIN 19245, parti 1 e 2 Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3 Profibus DP Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 Profibus PA Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo EN50170 Nel 2001 viene inserito nello standard IEC61158 sulle reti di comunicazione di campo ITS Meccatronico Reti per l automazione 3

4 MODELLO OSI <-> PROFIBUS APPLICATION APPLICATION à FMS PRESENTATION LAYER SESSION TRANSPORT NETWORK DATA LINK PHYSICAL DATA LINK à FDL PHYSICAL à RS485 ITS Meccatronico Reti per l automazione 4

5 PHYSICAL Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485 Topologia bus a più segmenti collegati da repeater massimo 32 stazioni per segmento 127 stazioni in totale Mezzo trasmissivo: doppino (eventualmente) schermato fibra ottica disponibile in alternativa ITS Meccatronico Reti per l automazione 5

6 PHYSICAL (2) Velocità di trasmissione 9,6 a 1500 kbit/s Lunghezza massima di un segmento 1200 m a 93,75 kbit/s 200 m a 1500 kbit/s Tra due nodi possono al massimo 3 repeater distanza massima è 4800 m ITS Meccatronico Reti per l automazione 6

7 LUNGHEZZA DELLE LINEE BAUDRATE KBIT/S LINE LENGTH ITS Meccatronico Reti per l automazione 7

8 TIPO DI TRASMISSIONE Trasmissione Asincrona Si impiegano UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Ricevitore e trasmettitore hanno clock diversi Il ricevitore deve campionare i bit ricevuti necessità di usare un clock N volte superiore a quello di trasmissione ITS Meccatronico Reti per l automazione 8

9 CODIFICA SUL BUS PROFIBUS e FMS utilizzano una codifica dati NRZ SIMBOLO CODIFICA 1 HIGH (POSITIVO) 0 LOW (NEGATIVO) INATTIVO HIGH Per ogni byte di dati vengono trasmessi 11 bit 1 BIT 8 BIT 1 BIT 1 BIT START DATO PARITA STOP ITS Meccatronico Reti per l automazione 9

10 CONNESSIONE TIPICA ITS Meccatronico Reti per l automazione 10

11 CONNESSIONE & TERMINAZIONE +5 V (6) VP Station 1 Station Ω RxD/TxD-P (3) DGND (5) VP (6) RxD/TxD-N (8) (3) RxD/TxD-P (5) DGND (6) VP (8) RxD/TxD-N (3) RxD/TxD-P 220 Ω (8) RxD/TxD-N Protective Ground Shielding 390 Ω (5) DGND Terminazione alimentata: +5 V sul pin 6 del connettore ITS Meccatronico Reti per l automazione 11

12 CONNETTORI ITS Meccatronico Reti per l automazione 12

13 Fieldbus Data Link Data Link Layer: FDL Specifica le modalità di accesso al bus Garantisce l integrità dei dati trasmessi Realizza un accesso di tipo ibrido combinando tecniche di accesso di tipo Token passing Master-slave ITS Meccatronico Reti per l automazione 13

14 TOKEN PASSING Garantisce che il diritto di accesso al bus (token) sia assegnato ad ogni nodo master entro un tempo massimo stabilito Il token (messaggio) viene fatto circolare fra i diversi master ed il tempo di rotazione massimo è prefissato Token passing è utilizzato solo per gestire la condivisione del bus fra i nodi master ITS Meccatronico Reti per l automazione 14

15 MASTER-SLAVE Permette al master che detiene il token di accedere agli slave assegnati Il master può spedire un messaggio ad uno slave richiedere un messaggio da uno slave max. 246 byte per messaggio È possibile implementare le configurazioni master-slave puro master-master puro (con token passing) combinazione dei due ITS Meccatronico Reti per l automazione 15

16 ANELLO LOGICO Il token circola su un anello logico che comprende solo le stazioni attive Nella fase di start-up, un apposita procedura costruisce l anello logico Il meccanismo di accesso al mezzo di PROFIBUS è in grado di ovviare a perdite del token duplicazioni del token stazioni spente o difettose ITS Meccatronico Reti per l automazione 16

17 TOKEN PASSING In fase di configurazione viene stabilito il Target Token Rotation Time (T TR ) periodo di rotazione del token massimo consentito in rete Quando un master acquisisce il token, esso interroga ciclicamente gli slave inviando e/o ricevendo dati o cicli di messaggio (message cycle) ITS Meccatronico Reti per l automazione 17

18 TOKEN PASSING (2) Quando un master riceve il token fa partire un timer che viene fermato quando il master riacquista il token L'intervallo misurato è il Real Token Rotation Time (T RR ) Il tempo per cui può essere tenuto il token è il Token Holding Time (T TH ) T TH =T TR -T RR ITS Meccatronico Reti per l automazione 18

19 TOKEN PASSING (3) Quando un master riceve il token, confronta T TR con T RR Vi possono essere due casi T RR < T TR o il master esegue tutte le trasmissioni previste fino a quando il valore di T TR è raggiunto o tutte le trasmissioni previste sono concluse T RR T TR o il master può eseguire una sola trasmissione ad alta priorità ITS Meccatronico Reti per l automazione 19

20 TOKEN PASSING (3) Quando il master cede il token alla successiva stazione attiva (Next Station - NS), attende di vedere attività sulla rete generata dalla sua NS entro uno slot time Se non c è attività o ripete la trasmissione del token o eventualmente per due volte Se anche dopo il terzo tentativo la stazione non rileva attività sulla rete o il token viene trasmesso alla prima fra le stazioni attive successive a NS nella lista delle stazioni attive (LAS) ITS Meccatronico Reti per l automazione 20

21 GESTIONE DI PRIORITÀ Il protocollo è in grado di gestire la trasmissione di messaggi a priorità diverse messaggi ad alta priorità o Se presente, ne viene trasmesso sempre almeno uno ad ogni ricezione di token messaggi a bassa priorità L ordine di trasmissione dei messaggi quando il master acquisisce il token avviene per priorità ITS Meccatronico Reti per l automazione 21

22 APPLICATION LAYER: FMS Deriva dallo standard internazionale MMS ISO si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione che possono essere scambiati tra nodi della rete Gli oggetti di comunicazione sono contenuti nel Virtual Fieldbus Device (VFD) e descritti nel Dizionario degli Oggetti La comunicazione è di tipo client-server ITS Meccatronico Reti per l automazione 22

23 PROFIBUS APPLICATION - FMS Protocol LAYER: Architecture FMS Application i Process Application Layer Interface (ALI) EN Vol 2 Part 2 Application-Layer (7) Fieldbus Message Specification (FMS) Lower Layer Interface (LLI) Layer 3 to 6 are not explicit EN Vol 2 Part 1 Data-Link-Layer (2) Fieldbus Data Link (FDL) Physical-Layer (1) PROFIBUS Transmission Medium ITS Meccatronico Reti per l automazione 23

24 Esempi di oggetti di comunicazione Variabili Eventi Dizionario degli oggetti Domain Program Invocation ITS Meccatronico Reti per l automazione 24

25 Servizi FMS I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di servizi Tra i più importanti Servizi di gestione del dizionario degli oggetti Servizi di accesso alle variabili Servizi di gestione degli eventi Servizi di gestione domain e program invocation ITS Meccatronico Reti per l automazione 25

26 Accesso alle variabili FMS definisce 5 tipi di variabili: Variabili semplici Array Record Liste di variabili Accesso fisico I servizi a disposizione sono tipicamente Read e Write ITS Meccatronico Reti per l automazione 26

27 Gestione degli Eventi Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti ALLARMI Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica ITS Meccatronico Reti per l automazione 27

28 Profibus DP Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra master e slave Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s Physical layer e Data link layer sono gli stessi di Profibus ITS Meccatronico Reti per l automazione 28

29 Profibus DP e modello ISO/OSI User Interface Direct Data Link Mapper DATA LINK à FDL PHYSICAL à RS485 Non esistono funzioni di livello 7 Profibus DP usa solamente i servizi del data link layer Le funzioni DP accessibili all utente attraverso la User Interface vengono mappate nel data link layer dal Direct Data Link Mapper (DDLM) Profibus DP ITS Meccatronico Reti per l automazione 29

30 3 TIPI DI DISPOSITIVO DP-Master Class 1 (DPM1) Central Controller which exchanges data with the distributed I/O devices (DP-Slaves) Several DPM1 are permitted, typical devices are PLC, PC, VME DP-Master Class 2 (DPM2) Configuration, Monitoring or Engineering tool which is used to set up the network or parametrize / monitor the DP-Slaves DP-Slave Peripherial device directly interfacing the real I/O signals Typical devices are Inputs, Outputs, Drives, Valves, Operator Panels ITS Meccatronico Reti per l automazione 30

31 PROFIBUS-DP - Monomaster PLC DP-Master (Class 1) Raggiungono tempi di ciclo più corti Formati da 1 DP-Master (Class 1) Da 1 a max. 125 DP-Slaves DP-Master (Class 2) - opzionale PROFIBUS-DP Distributed Inputs and Outputs DP - Slaves ITS Meccatronico Reti per l automazione 31

32 PROFIBUS-DP Multimaster System Più DP-Master possono accedere un DP-Slave tramite funzioni Di lettura DP-Master (Class 2) PROFIBUS-DP Multimaster: - Masters (Class 1 or 2) multipli - da 1 a max. 124 DP-Slaves - max. 126 dispositivi sullo stesso bus PC DP-Master (Class 1) CNC PLC DP-Master (Class 1) PROFIBUS - DP distributed inputs and outputs distributed inputs and outputs ITS Meccatronico Reti per l automazione 32

33 Funzioni DP Master Operazioni che possono essere eseguite sugli slave o Scambio ciclico di dati o Lettura della diagnostica o Set dei dati di parametrizzazione o Controllo dei dati di configurazione o Emissione comandi di controllo globali o Lettura ingressi/uscite o Lettura configurazione o Cambio indirizzo di uno slave ITS Meccatronico Reti per l automazione 33

34 Comandi di controllo globali Vengono inviati dal master a tutti gli slave o a gruppi di slave specificati nel messaggio di parametrizzazione Consentono di Sincronizzare gli ingressi o FREEZE Sincronizzare le uscite o SYNC Eseguire il reset di tutte uscite o CLEAR ITS Meccatronico Reti per l automazione 34

35 Messaggio di diagnostica È composto da 6 byte obbligatori di informazioni generali specificate dallo standard fino a 238 byte opzionali di diagnostica estesa dello slave il cui formato è specificato dallo standard ITS Meccatronico Reti per l automazione 35

36 Altri messaggi Messaggio di Parametrizzazione Il messaggio di parametrizzazione è composto da: o 7 byte obbligatori specificati dallo standard o fino a 237 byte opzionali liberamente definibili dall utente M. di Configurazione Con questo messaggio il master specifica la configurazione di input/output dello slave Se lo slave ha una configurazione diversa, non accetta il messaggio o Il messaggio contiene al massimo 244 byte ITS Meccatronico Reti per l automazione 36

37 CAN Controller Area Network ITS Meccatronico Reti per l automazione

38 Generalità Introdo0o a metà degli anni 80 dalla Bosch GmbH per risolvere i problemi di cablaggio a bordo auto Ora norma internazionale ISO Molto ada0o anche come rete di campo a livello disposigvo Definisce il solo livello data- link ITS Meccatronico Reti per l automazione 38

39 Caratteristiche di CAN Semplice ed economico Ampia disponibilità di componeng e strumeng di sviluppo Molto diffuso CenGnaia di milioni di nodi CAN a0ualmente installag ITS Meccatronico Reti per l automazione 39

40 Profilo di comunicazione Processi Applicativi Livello Application servizi ad alto livello, profilo dei dispositivi CAN Livello Data-Link Logical Link Control Medium Access Control Livello physical ITS Meccatronico Reti per l automazione 40

41 Topologia a bus condiviso Usa un semplice doppino intrecciato Estensione fino a 6 Km o a 10 Kbps Livello fisico (I) Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s o massima estensione in questo caso 40 m ITS Meccatronico Reti per l automazione 41

42 Livello fisico (II) Interfaccia simile ai circuiti a collettore aperto o livello sul bus dominante o recessivo A B C BUS La codifica di linea prevede Una tecnica di trasmissione NRZ Una tecnica di bit stuffing per garangre la sincronizzazione dei ricevitori ITS Meccatronico Reti per l automazione 42

43 Medium Access Control Rete mulgmaster ad accesso casuale (CSMA) simile a Ethernet Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo fisico Sulla rete vengono scambiate variabili secondo il principio produ0ore/consumatore Le variabili sono individuate univocamente da un idengficatore ITS Meccatronico Reti per l automazione 43

44 Risoluzione delle collisioni Basata sulla priorità degli ogget scambiag La priorità è definita dall idengficatore Fase di arbitraggio non distrutva per risolvere le contese sul bus GaranGsce un comportamento determinisgco e prevedibile ITS Meccatronico Reti per l automazione 44

45 Frame CAN Data Frame Remote frame Error frame Overload frame ITS Meccatronico Reti per l automazione 45

46 Data Frame S O F IDENTIFIER R T R CONTROL DATA CRC ACK EOF Numero di bit Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit ITS Meccatronico Reti per l automazione 46

47 Remote frame Sono simili ai data frame ma non contengono il campo dag Il bit RTR assume valore recessivo UGlizzaG per richiedere che il valore di un ogge0o specificato venga immesso in rete Il nodo remoto che si riconosce produ0ore della variabile la deve imme0ere in rete ITS Meccatronico Reti per l automazione 47

48 Error frame ParGcolare Gpo di messaggio uglizzato dal sistema di controllo degli errori Un nodo che rileva un errore inizia immediatamente la trasmissione E cosgtuito da due campi error flag error delimiter Error delimiter è composto da una sequenza di 8 bit a livello recessivo e segue immediatamente l error flag ITS Meccatronico Reti per l automazione 48

49 Error frame 6 Bit Bit 8 Bit 3 Bit Data Frame Error Flag Sovrapposizione di Error Flags Error Frame Error Delimiter Interframe Space ITS Meccatronico Reti per l automazione 49

50 Error Flag Può essere di due tipi, a seconda dello stato in cui si trova il nodo CAN: attivo o passivo Ø Attivo: costituito da 6 bit di livello dominante, quando è trasmesso provoca un errore di ricezione in tutti i nodi Ø Passivo costituito da 6 bit di livello recessivo La trasmissione di un error frame da parte di un nodo forza un analoga trasmissione da parte di tutti gli altri nodi ITS Meccatronico Reti per l automazione 50

51 Error frame attivo e passivo Iniziato da un nodo ERROR ACTIVE 6 Bit Bit 8 Bit 3 Bit Data Frame Error Flag Sovrapposizione di Error Flags Error Frame Error Delimiter Interframe Space Iniziato da un nodo ERROR PASSIVE 6 Bit Bit 8 Bit 3 Bit ITS Meccatronico Reti per l automazione 51

52 Gestione degli errori Quando viene rilevato un errore (locale o globale) viene trasmesso un Error Flag l errore viene propagato a tut gli altri nodi globalizzazione dell errore in caso di errori locali i diversi Error Flag si sovrappongono L Error Flag è seguito da un Error Delimiter: la sequenza risultante sul bus è composta da 6 a 12 bit dominang seguig da 8 bit recessivi ITS Meccatronico Reti per l automazione 52

53 Gestione degli errori (II) Il messaggio viene scartato da ogni nodo garanzia di consistenza Vengono incrementag gli Error Counter di ogni nodo: meccanismo di confinamento dei guasg La trasmissione del messaggio viene ripetuta automagcamente ITS Meccatronico Reti per l automazione 53

54 Rilevamento degli errori Esistono 5 diversi meccanismi per il rilevamento degli errori, che operano simultaneamente: 1. Cyclic Redundancy Check 2. Frame Check 3. Acknowledge Error Check 4. Bit- Monitoring 5. Bit- Stuffing ITS Meccatronico Reti per l automazione 54

55 Cyclic Redundancy Check Inter- frame- Space Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Field Start of Frame Data Field CRC Field ITS Meccatronico Reti per l automazione 55

56 Cyclic Redundancy Check CAN uglizza un CRC su 15 bit ada0o per messaggi di piccole dimensioni offre un otma copertura dagli errori Il bit che segue il CRC (CRC delimiter) è trasmesso a livello recessivo ITS Meccatronico Reti per l automazione 56

57 Meccanismo di acknowledge CAN realizza un meccanismo elementare di acknowledge distribuito il trasmettitore setta il bit di ack nel frame inviato a livello recessivo ogni nodo che riceve correttamente il messaggio sovrascrive il bit di ack con un livello dominante contemporaneamente alla trasmissione del bit di ack il trasmettitore rileva lo stato del bus o se rileva un livello recessivo, ciò vuol dire che nessun altro nodo ha letto il messaggio o in questo caso viene generato un errore di acknowledge ITS Meccatronico Reti per l automazione 57

58 Frame check Alcuni campi del frame hanno formato fisso (sono a valore recessivo) occorre verificare che tali campi abbiano effetvamente il valore previsto in caso contrario viene generato un errore di formato ITS Meccatronico Reti per l automazione 58

59 Frame check Inter- frame- Space Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Delimiter Start of Frame Data Field ACK Slot CRC Field CRC Delimiter ITS Meccatronico Reti per l automazione 59

60 Monitoraggio del segnale Ogni trasmettore, mentre invia un messaggio sul bus legge contemporaneamente il livello dello stesso: se il bit scri0o e il livello le0o differiscono viene generato un errore di bit monitoring questo non si applica al campo di arbitraggio, dove tale condizione non implica un errore ma semplicemente la perdita della contesa non si applica neppure al campo di acknowledge, che viene gesgto in modo diverso ITS Meccatronico Reti per l automazione 60

61 Bit stuffing Per garangre che i ricevitori possano sincronizzare il proprio clock locale tramite DPLL, il segnale trasmesso deve contenere un numero adeguato di frong: il bit stuffing assicura che lo stream di bit sul bus contenga un numero di transizioni sufficiente per la sincronizzazione l assenza prolungata di frong indica un errore o una condizione di bus idle ITS Meccatronico Reti per l automazione 61

62 Bit stuffing (II) Ogni qualvolta nel bit stream in uscita vengono individuag 5 bit allo stesso livello viene aggiunto un bit al valore opposto stuff bit I ricevitori sono in grado di eliminare gli stuff bit per rio0enere la sequenza originale Più efficiente della codifica Manchester ITS Meccatronico Reti per l automazione 62

63 Overload frame È cosgtuito da un overload flag e da un overload delimiter uguali a quelli dell error frame con flag atvo È trasmesso da un nodo sovraccarico per rallentare le operazioni in rete Viene trasmesso nello spazio a disposizione tra la trasmissione di due frame successivi ITS Meccatronico Reti per l automazione 63

64 Livello Applicazione Il livello data link non soddisfa ai requisig fondamentali di una rete di comunicazione di campo Necessità di un livello applicazione CAN non definisce uno standard del livello applicazione ITS Meccatronico Reti per l automazione 64

65 CAN: Livello Applicazione Alcune associazioni hanno realizzato dei protocolli applicazione basati su CAN Successivamente sono diventati IEC Ø CANopen Ø CAN in Automation, CiA, Ø DeviceNet Ø Open DeviceNet Vendor Association, ODVA, Un ulteriore prodotto interessante è CAN Kingdom Kvaser ITS Meccatronico Reti per l automazione 65

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