PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN INTERFACCIA SLAVE WIRELESS PER PROFIBUS-DP

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA PER L AUTOMAZIONE PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN INTERFACCIA SLAVE WIRELESS PER PROFIBUS-DP Relatore: Chiar.mo Prof. DANIELE MARIOLI Correlatori: Prof.ssa ALESSANDRA FLAMMINI Ing. PAOLO FERRARI Tesi di laurea di: STEFANO CAPRINI Matricola N ANNO ACCADEMICO 2003/2004

2 Il primo doveroso ringraziamento va senz altro ai miei genitori che mi hanno dato la possibilità di concludere con successo gli studi. Desidero ringraziare il Chiar.mo Prof. Daniele Marioli per avermi offerto la possibilità di lavorare a questa tesi di laurea. Tutta la mia riconoscenza e gratitudine vanno alla Prof.ssa Alessandra Flammini e all Ing. Paolo Ferrari che mi hanno seguito nel lavoro con grande disponibilità e competenza, e senza i quali non sarebbe stato possibile raggiungere tutti gli obiettivi. Un grazie anche all Ing. Emiliano Sisinni e all Ing. Alessandro Depari che mi hanno spesso aiutato nei momenti di difficoltà. Un saluto ed un ringraziamento a tutti i componenti del LABEL con i quali ho condiviso gioie e dolori (forse più i dolori ). Un saluto ai musicisti Andrea & Isa (i cugini Salsiccia), il Dani (il bassista più bravo di Brescia), Carlo (lo Smilzo), Andrea (il Cialtrone), Alessio (il Guitti), Stefano (Cellula); Marcello (il Presidente), Silvia (l Omina), Davide (l Omino), Michele (il Sèga), Francesco (il Feno), Michele (il Kimmy), Alberto (Briù), Michele (lo Skaro), Fabio (Fabius), Massimo, Giulio, Francy, Elisabetta, Annamaria, Paola, Chiara, Marta, Jasmin, Daniela, Laura, Francesca, Elena, Gregoriana, Valentina, Rossana, Mattia (Il Mex), Luca (Il Mora), Paolo (Il Drago). Un ricordo particolare per tutte le persone che ho conosciuto dentro e fuori l ambiente universitario e che per motivi di memoria non ho sopraccitato (e che me lo faranno notare a vita!).

3 Indice. INDICE INTRODUZIONE 1 CAPITOLO IL LAVORO DI TESI Generalità sul Bus di Campo Generalità sulle reti senza fili Il progetto R-Fieldbus Prodotti offerti dal mercato Possibili campi di utilizzo Sicurezza Esempi applicativi Obiettivo del lavoro di tesi Applicazioni 17 CAPITOLO PROFIBUS Caratteristiche del Protocollo PROFIBUS Principi base Modello di riferimento ISO-OSI PROFIBUS livello 1 (livello fisico) PROFIBUS livello 2 (livello dati) PROFIBUS DP livello 7 (livello applicativo) Caratteristiche di PROFIBUS DP Tipi di dispositivi PROFIBUS DP Sistemi PROFIBUS DP Sistema Mono-Master Sistema Multi-Master Funzioni di comunicazione PROFIBUS DP Trasmissione dati PROFIBUS DP Tempo di ciclo di PROFIBUS DP Sistema di configurazione di PROFIBUS DP Specifiche tecniche di comunicazione Livello Fisico: Specifiche tecniche Livello Dati : Gestione dei Token 38 I

4 Indice Struttura generica del telegramma WLAN Vantaggi delle WLAN Svantaggi delle WLAN Panoramica sugli altri standard Hiperlan Bluetooth SWAP Lo standard IEEE Tipologie di reti contemplate da Il livello MAC nello standard Metodo di accesso base: CSMA/CA DCF (Distribuited Coordination Funcion) PCF (Point Coordination Function) Il livello fisico Modulazione Spread Spectrum DSSS (Direct Sequenze Spread Spectrum) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) HR-DSSS (Standard b) OFDM (Standard a) IrDA (Infrared Device Application) DSSS vs. FHSS 68 CAPITOLO Obiettivo Generalità sull hardware Schema generale del bridge Hardware lato PROFIBUS Funzionalità dell integrato SPC Allocazione della memoria Interfaccia dell ASIC Interrupt Controller Struttura dei buffer DP Stati di funzionamento dell SPC Avvio dell SPC Ciclo di lettura Ciclo di scrittura MAX485 / SN65ALS Optoisolatori HCPL HCPL PIC18F I porti 104 II

5 Indice Porto A Porto B Porto C Porto D Porto E Circuiteria ausiliaria Hardware lato wireless Lo standard PCMCIA Specifiche fisiche Interfaccia per dispositivi di memoria Sequenza di accensione Interfaccia per dispositivi I/O Scheda wireless PIC18F I porti Porto A Porto B Porto C Porto D Porto E Master Synchronous Serial Port (MSSP) Serial Peripheral Interface (SPI) Configurazione come MASTER Configurazione come SLAVE CPLD Funzionamento della CPLD Circuiteria ausiliaria Generalità sul software Software per il lato PROFIBUS Inizializzazione ASIC SPC Routine di lettura per l SPC Routine di scrittura per l SPC Inizializzazione dell SPC Gestione scambio pacchetti con PROFIBUS Scambio dati via SPI Software lato wireless Inizializzazione della scheda wireless Funzioni I/O di basso livello Driver scheda Orinoco Implementazione protocolli IP,ICMP e ARP Implementazione protocollo UDP Gestione pacchetti ricevuti e spediti Il software per la CPLD Configurazione all interno della rete PROFIBUS Applicativo in LabView Configurazione hardware alternativa 149 III

6 Indice. CAPITOLO Verifica di funzionamento Slave PROFIBUS Ciclo di lettura Ciclo di scrittura Test della RAM Dual-Port Comunicazione della scheda Creazione di una rete PROFIBUS Scambio pacchetti all interno della rete Tempistiche scambio dati su PROFIBUS Test di robustezza ai disturbi Tempistiche Tempo di lettura Tempo di scrittura Tempo di avvio dell SPC Verifica di funzionamento Master Wireless Ciclo di lettura Ciclo di scrittura Inizializzazione della scheda wireless Connessione ad-hoc Scambio pacchetti Tempistiche per l invio e la ricezione Tempistiche per l invio di pacchetto Tempistiche per la ricezione di un pacchetto Test d insieme Test con un sensore wireless Programmazione del pannello CHATTY Programmazione del Master Programmazione della scheda Slave Risultato del test Test con più sensori wireless Risultato del test 185 CONCLUSIONI 187 APPENDICE A 189 A.1 Il protocollo Ethernet 191 A.2 Il protocollo IP (Internet Protocol) 193 A.3 Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) 197 A.4 Il protocollo ICMP (Internet Control Message Protocol) 200 IV

7 Indice. A.5 Il protocollo UDP (User Datagram Protocol) 202 APPENDICE B 205 BIBLIOGRAFIA 217 V

8 Indice. VI

9 Introduzione. INTRODUZIONE Negli ultimi anni in diversi settori dell automazione industriale si è vista la diffusione dei bus di campo, forme di comunicazione seriale, digitale, ad alte prestazioni, che si prevede sostituiranno in futuro la tecnologia analogica. Il protocollo PROFIBUS (Process Fieldbus) è uno tra i bus di campo più diffusi a livello mondiale. Concepito come standard nazionale tedesco (DIN 19245), è stato in seguito riconosciuto come standard europeo (EN 50170) ed ora è ratificato come standard mondiale (IEC 61158). PROFIBUS vanta oggi più di dieci milioni di nodi installati ed una vasta gamma di periferiche. In un moderno ambiente industriale sono presenti: trasduttori, azionamenti, PLC (Programmable Logic Controller), computer d automazione, controlli numerici e diventa di fondamentale importanza la comunicazione fra le periferiche. In un impianto industriale si può dedurre quindi che la maggior parte dei costi è dovuto al cablaggio di migliaia di questi dispositivi e sistemi. Gli impianti realizzati con cavi di connessione hanno bisogno di continua manutenzione e offrono anche una bassa scalabilità: infatti, l aggiunta di un solo segmento o la modifica di uno esistente, necessita di un lavoro strutturale ed è quindi molto costosa. L evoluzione dei sistemi di comunicazione wireless e la loro elevata diffusione nel mercato consumer hanno permesso una drastica riduzione dei costi dei chip di comunicazione. Questo ha suscitato l interesse dell ambiente industriale che vuole tentare l eliminazione completa dei cavi di connessione. 1

10 Introduzione. Oltre alla riduzione delle connessioni, i sensori wireless permettono un elevatissima affidabilità in tutti quegli ambienti con condizioni ambientali ostili, come vibrazione o presenza di elementi corrosivi. Le trasmissioni wireless permettono inoltre di realizzare reti distribuite anche successivamente alla costruzione dell ambiente industriale ed un elevata scalabilità delle dimensione della rete stessa. In questo lavoro di tesi si vuole realizzare una interfaccia slave per PROFIBUS DP (Device Peripheral) che svolga il ruolo di master wireless per una rete di sensori utilizzando lo standard IEEE Dal punto di vista organizzativo la tesi è strutturata in quattro capitoli. Il primo capitolo è rivolto alla descrizione del problema affrontato e alle soluzioni che il mercato attualmente offre; verranno presentati alcuni prodotti commerciali e applicazioni in questo settore. Il secondo capitolo raccoglie le conoscenze preliminari raccolte per affrontare l argomento trattato; in particolar modo sono raccolte informazioni sul PROFIBUS e sullo standard IEEE Nel terzo capitolo verrà presentato l hardware realizzato, descrivendo le caratteristiche principali dei componenti utilizzati e la descrizione dettagliata del software prodotto per il funzionamento del sistema realizzato. Il quarto capitolo raccoglie i risultati sperimentali dei test effettuati per verificare il corretto funzionamento dell hardware e il software prodotto. 2

11 CAPITOLO 1 OBIETTIVO Introduzione In questo capitolo è illustrata una panoramica generale sul Bus di Campo e le reti wireless, sul l obiettivo del lavoro di tesi e sulle esigenze attuali richieste dal mercato. 3

12 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. 4

13 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. 1.1 IL LAVORO DI TESI Generalità sul Bus di Campo Il settore dell industria, negli ultimi anni, è stato caratterizzato dall introduzione di una nuova tecnologia trasmissiva, i Bus di Campo. Questa struttura di comunicazione ha sostituito con il passare del tempo i sistemi trasmissivi tradizionali (tipo 4 20 ma). Il bus di campo è un sistema di comunicazione industriale digitale ad alte prestazioni. Costituisce quindi un mezzo di trasporto pubblico dei dati, il cui dominio è limitato sia geograficamente sia per quanto riguarda il settore al quale viene applicato. Fisicamente è costituito da un fascio di conduttori che permettono lo scambio di dati fra gli utenti. Per garantire un corretto scambio di dati fra le stazioni collegate, l accesso al bus viene disciplinato da un insieme di regole (Protocollo) e da un meccanismo supplementare di sicurezza. Essenzialmente, sono due gli argomenti a favore dei bus di campo: La comunicazione tramite bus di campo permette lo scambio di dati ( dati diagnostici, dati di ingresso / uscita, ecc ) che sarebbe più difficile trasmettere in altro modo. Lo scambio dei dati avviene secondo un meccanismo standard. Da queste due argomentazioni scaturiscono una serie di vantaggi: Flessibilità di estensione; Possibilità di collegamento di prodotti di fabbricanti diversi; Estensione dei campi di applicazione; Riduzione dei costi globali; Rispetto ai sistemi tradizionali esistono però anche degli svantaggi : Necessità di conoscenza superiore; Investimento in strumenti ed accessori onerosi; 5

14 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. Compatibilità tra prodotti di fabbricanti diversi non sempre priva di problemi; Nel ramo della produzione, l implementazione della tecnologia dei bus di campo ha portato una considerevole innovazione, permettendo il passaggio dai sistemi di automazione centralizzati ai sistemi di automazione decentralizzati. E stato questo l obbiettivo di PROFIBUS per più di 10 anni. In questo periodo PROFIBUS è divenuto il leader del mercato mondiale per quanto riguarda i bus di campo. Inizialmente l attenzione era puntata sulle tecnologie comunicative, ma ora le attività si concentrano attorno all integrazione dei sistemi, l ingegnerizzazione ed in particolare i profili di sistema. Questi profili hanno fatto di PROFIBUS l unico bus di campo che si occupa sia dell automazione industriale che di quella di processo. L utilizzo di standard aperti al posto di soluzioni proprietarie assicura la compatibilità a lungo termine e l espandibilità e quindi la protezione degli investimenti esistenti. Il continuo espandersi dell informatica ha portato delle evoluzioni successive nel mondo dell automazione industriale. I sistemi a bus di campo hanno adottato i principi della scienza informatica moderna, trasformando radicalmente le infrastrutture, i sistemi di produzione e i processi. L integrazione dell informatica nell automazione apre nuove prospettive per la comunicazione globale tra i sistemi di automazione. Perseguendo questo obbiettivo, PROFIBUS è stato migliorato dalla comunicazione basata su Ethernet, portando alla nascita dello standard PROFINET Generalità sulle reti senza fili In un moderno ambiente industriale sono presenti: trasduttori, azionamenti, PLC (Programmable Logic Controller), computer d automazione, controlli numerici, e cosi via. Ogni sistema o componente generalmente si occupa del lavoro per cui è stato progettato ed inserito nell impianto industriale. 6

15 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. L impianto così composto non è sufficiente per ottenere una qualità ottimale delle lavorazione: è importante quindi avere dei sistemi a un livello superiore ed è altrettanto importante che possano comunicare efficacemente tra di loro. Grazie a questo schema si nota che le grandezze controllate da un azionamento sono parte di un vasto insieme di parametri, detti parametri di processo, la cui conoscenza e memorizzazione nel tempo consente di correlarli alla qualità del prodotto. Le prime industrie che implementavano questo sistema utilizzavano potenti computer centrali; oggi si è passati ad un architettura più distribuita, efficiente ed economica da gestire. Questa architettura è stata resa possibile grazie all affermarsi di reti di comunicazione e interfacce standard tra i sistemi. In un impianto industriale si può dedurre quindi che la maggior parte dei costi è dovuto al cablaggio di migliaia di trasduttori e sistemi. Gli impianti realizzati con cavi di connessione hanno bisogno di continua manutenzione e offrono anche una bassa scalabilità, infatti l aggiunta di un solo segmento o la modifica di uno esistente, necessita di un lavoro strutturale ed è quindi molto costosa. L evoluzione dei sistemi di comunicazione wireless e la loro elevata diffusione nel mercato consumer hanno permesso una drastica riduzione dei costi dei chip di comunicazione. Questo ha suscitato l interesse dell ambiente industriale che vuole tentare l eliminazione completa dei cavi di connessione. Oltre alla riduzione delle connessioni, i sensori wireless permettono un elevatissima affidabilità in tutti quegli ambienti con condizioni ambientali ostili, come vibrazione o presenza di elementi corrosivi. Le trasmissioni wireless permettono inoltre di realizzare reti distribuite anche successivamente alla costruzione dell ambiente industriale ed un elevata scalabilità delle dimensione della rete stessa. 7

16 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Il progetto R-Fieldbus Recentemente si sta sviluppando il progetto R-Fieldbus il cui obiettivo è l integrazione della tecnologia wireless a livello di Bus di Campo. Il progetto ha come obiettivo l eliminazione dei problemi di cablaggio a livello industriale in modo da permettere la facile installazione di nuovi dispositivi e risolvere i problemi relativi alla mobilitazione di periferiche quali sensori o unità di controllo. Il sistema R-Fieldbus ha lo scopo di fornire una infrastruttura wireless del tutto trasparente verso i dispositivi che utilizzeranno questa tecnologia, offrire inoltre la possibilità di scambiare dati in tempo reale per tutte quelle situazioni critiche quali la diagnosi ed il controllo e supportare inoltre applicazioni multimediali quali il trasporto di voce e video in tempo reale. L'architettura di R-Fieldbus sarà basata sull'integrazione dei protocolli di comunicazione industriali esistenti come quelli specificati nel normativa europea EN50170 e internazionale IEC Prodotti offerti dal mercato Il mercato oggi è molto interessato a soluzioni che permettano la comunicazione dei dispositivi integrando una la tecnologia wireless. Molte aziende, fra cui Siemens, offrono interessanti soluzioni per proporre dispositivi che vengano incontro a questa finalità. Fra le offerte di mercato troviamo i seguenti dispositivi: SCALANCE W744-1PRO Prodotto da: Siemens Categoria: Link / Coupler / Gateway E un modulo client Ethernet che permette di stabilire un collegamento radio con un dispositivo mobile utilizzando una interfaccia Ethernet verso la rete wireless. 8

17 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. Il modello SCALANCE W788-1PRO implementa l infrastruttura wireless nella quale il modello SCALANCE W744-1PRO ha la possibilità di muoversi liberamente. SCALANCE W788-2PRO Prodotto da: Siemens Categoria: Link / Coupler / Gateway È un doppio access point che permette il trasferimento di un client fra celle differenti senza interruzione di segnale (roaming). Il modello SCALANCE W788-1PRO permette inoltre di stabilire una connesione verso Ethernet. Nella modalità point-to-point le due antenne orientabili permettono di offrire una connessione wireless fino a qualche centinaio di metri tra due segmenti Ethernet. E realizzato per poter funzionare in all aperto ad una escursione di temperatura variabile fra i -20 C e i +60 C Infrared Link Module (ILM) Prodotto da: Siemens Categoria: Link / Coupler / Gateway È un modulo che permette la trasmissione dei dati senza fili utilizzando i raggi infrarossi come mezzo trasmissivo ed ha le seguenti caratteristiche: Comunicazione via raggi infrarossi per PROFIBUS entro un distanza di 15 metri. Velocità di trasferimento fino a 1,5Mbit/s Facilità nell allineamento dei dispositivi Indicatori diagnostici per monitorare la presenza e la qualità della trasmissione 9

18 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. AnyBus-X PDP-Bluetooth Prodotto da: HMS Industrial Network AB Categoria: Compinente di rete Permette la comunicazione dei dati da una rete PROFIBUS verso il nuovo standard senza fili Bluetooth TM. Questo dispositivo permette di aprire nuove strade per la comunicazione su PROFIBUS di svariati dispositivi quali PDA, telefoni cellulari e PC che implementano lo standard Bluetooth TM. Le caratteristiche principali di questo componente sono: Funzionalità di bridge fra le reti PROFIBUS & Bluetooth Tensione di alimentazione variabile e compresa fra 9 e 30 VDC Interfaccia certificata sia verso PROFIBUS che verso Bluethooth TM. PSM-ODL-RS485W2-A Prodotto da: Phoenix Contact bv Categoria: Componente di rete Il dispositivo permette la comunicazione utilizzando i raggi infrarossi all interno di una rete PROFIBUS. Le caratteristiche principali sono: Trasmissione da 0,4 m a 200 m Sistema elettronico integrato per l allineamento dei dispositivi Tensione di alimentazione variabile e compresa fra 9 e 30 VDC Led di segnalazione per la qualità e lo stato della connesione Temperatura di funzionamento da -10 C a 50 C Alta affidabilità della trasmissione dovuta a due differenti frequenze portanti per i canali di trasmissione e ricezione. 10

19 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. SATELLINE-3AS Prodotto da: Satel Oy Categoria: Componente di rete Il dispositivo permette di creare una connessione senza fili fra le periferiche PROFIBUS. Utilizza una stretta banda radio di trasmissione operando ad una frequenza fra i Mhz con canali di 12,5 e 25 Khz in base alllo stato in cui è utilizzato. Le caratteristiche principali sono: Implementa i protocolli RS-485, RS-422, RS-232 Velocità di trasmissione di 9,6Kbit/s o 19,2 Kbit/s Tensione di alimentazione fra 9 e 30 VDC Disponibile nelle versioni con e senza display LCD. 24XStreamTM 2,4Ghz OEM RF Module Prodotto da: MaxStream Categoria: Componente di rete Il dispositivo permette di collegare uno slave a distanza utilizzando una trasmissione wireless. Il dispositivo offre da un lato una connessione su protocollo RS-485 e dall altra una connessione wireless. Con due dispositivi il trasferimento dei dati risulta essere del tutto trasparente. Le caratteristiche principali sono: Frequenza di funzionamento a 800MHz con raggio di azione di 450 m Frequenza di funzionamento a 2,4GHz con raggio di azione di 180 m Baudrate variabile a 9,6Kbps a 19,2Kbps 11

20 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Possibili campi di utilizzo Sistemi di trasporto senza conducente; Assenza di usura ed elevata flessibilità nella guida lungo il percorso grazie alla trasmissione senza fili di dati al mezzo di trasporto. Postazione di controllo mobile; Accesso affidabile al processo grazie alla comunicazione dati tramite WLAN con apparecchiature mobili; di conseguenza il numero di pannelli operatore viene a dipendere dal numero di operatori e non più dal numero di posti dove è necessario controllare la produzione. Accesso senza fili alle apparecchiature da campo per progettazione e test senza onerosi adattamenti nel quadro elettrico. Accesso locale a documentazione di servizio e di manutenzione; Update immediato degli interventi effettuati nel sistema tramite WLAN; processi ottimizzati e ridotta incidenza degli errori grazie all'informazione online, indipendentemente dal posto d'installazione della macchina Comunicazione con nodi/partner in movimento (ad es. controllori ed apparecchiature mobili), trasloelevatori in magazzini a scaffali, linee di trasporto, nastri convogliatori, macchine rotanti Accoppiamento senza fili di segmenti di comunicazione per la veloce messa in servizio o per l'interconnessione economica in rete, dove la posa di cavi comporta costi notevoli (ad es. strade pubbliche) L'infrastruttura radio è messa a disposizione in aree aziendali estese (esternamente all'aperto) con esigenze elevate di affidabilità Comunicazione con nodi/partner in movimento (p. es. controllori ed apparecchiature mobili), trasloelevatori in magazzini a scaffali, linee di trasporto, nastri convogliatori, macchine rotanti 12

21 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Sicurezza Un elevato grado di protezione dei dati (Security) è raggiunto grazie ai moderni meccanismi del Wi-Fi Protected Access (WPA). Sono lì definite moderne procedure, che regolano uno scambio sistematico della chiave completa di 128 bit, ma eseguono anche l'identificativo d'utente (autenticazione) di un nodo/partner. Wi-Fi Protected Access (WPA) e password provvedono alla protezione da intercettazioni e accessi esterni; per una efficace codifica dei dati è messo a disposizione l'advanced Encryption Standard (AES). IEEE 802.1x e l'impiego addizionale di RADIUS (Remote Authentification Dial In User Service) consentono il sicuro controllo d'accesso. Ulteriori meccanismi di protezione: PEAP (Protected Extensible Authentication Protocol); utilizza un Art SSL/TLS Handshake per la realizzazione di un collegamento sicuro EAP-TLS (Transport Layer Security) ) tramite certificato Client/Server EAP-TTLS (Tunneled Transport Layer Security) solo tramite certificato Server; l'identificativo d'utente è trasmesso in codice. 13

22 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Esempi applicativi Con gli Access Point è possibile realizzare, nelle bande ISM esenti da licenza a 2,4 GHz a 5 GHz, una rete radio con omologazione per radiotrasmissione in oltre 30 paesi. Questa rete radio consente un collegamento radio molto affidabile tramite WLAN Industriali, con velocità di trasmissione che negli standard IEEE g e IEEE a arrivano fino a 54 Mbit/s. Infrastructure Mode Una rete radio può consistere già di un singolo Access Point o di un numero qualsiasi di Access Point, cosicché si possono realizzare reti a estensione superficiale (reti estese in edifici). In queste reti a copertura d'area, i nodi/partner si muovono senza interruzione della comunicazione con il passaggio automatico da un Access Point al successivo (Roaming). Il tutto avviene in modo trasparente per l'applicazione. Per il collegamento alla rete cablata è disponibile per l'access Point un'interfaccia Industrial Ethernet. Nodi/partner, come p. es. controllori mobili, l'internet Pad MOBIC o il Field PG possono muoversi liberamente nell'ambito delle radiocelle e scambiare dati con altri nodi/partner. Funzionamento punto a punto In questo modo di funzionamento vengono accoppiati tra loro due segmenti Ethernet mediante un collegamento radio, in caso di difficile installazione dei cavi (ad es. strade pubbliche). Per esempio SCALANCE W788-1PRO, prodotto da Siemens, può funzionare con fino a otto collegamenti punto a punto. Si possono così realizzare reti radio ridondanti ad elevata affidabilità. Sostituendo entrambe le antenne omnidirezionali con antenne direzionali,, si possono coprire distanze di più centinaia di metri all'esterno. In Figura 1.1 è mostrato un esempio di integrazione fra rete Ethernet Industriale, Wireless e PROFIBUS. 14

23 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. Figura 1.1 : Esempio di integrazione fra tecnologia wired e wireless Nella figura seguente è mostrato l uso di due access point per connettere due reti Ethernet industriali utilizzando il wireless come canale intermedio. Figura 1.2 : Esempio di connessione di due reti Ethernet Industriali via wireless 15

24 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Obiettivo del lavoro di tesi L obiettivo di questo lavoro di tesi è la realizzazione sia a livello hardware che software di un apposita interfaccia che permetta di unire i vantaggi offerti da una rete di comunicazione basata su PROFIBUS, ai vantaggi offerti da una comunicazione di tipo wireless. Il lavoro di tesi mira ad ottenere una scheda in grado di comunicare sia all interno di una rete PROFIBUS-DP (Device Peripheral), sia all interno di una rete wireless permettendo la comunicazione trasparente dei dati da una rete all altra. Verso il lato PROFIBUS la scheda deve svolgere il ruolo di slave e deve pertanto essere in grado di comunicare con il master della rete in cui è inserito. Dal lato wireless invece la scheda deve essere in grado di comunicare con uno o più dispositivi wireless. A livello di software, si deve gestire correttamente la comunicazione dei dati all interno della rete PROFIBUS, della rete wireless e gestire lo scambio dei dati da una rete all altra. La scheda da realizzare può essere pertanto vista come un bridge, cioè una sorta di ponte di comunicazione fra una rete PROFIBUS ed una rete wireless. Master Dispositivi Wireless Bridge da Realizzare PROFIBUS- DP Lato Wireless Slave Lato Profibus Figura 1.3 : Schema generale del bridge da realizzare 16

25 Capitolo 1: Il lavoro di tesi Applicazioni La scheda realizzata può trovare applicazione in tutti i casi in cui in cui la mobilità dei dispositivi è di fondamentale importanza. Ci si riferisce per esempio all utilizzo di dispositivi quali carrelli mobili, parti rotanti o all uso in situazioni in cui lo spostamento frequente del dispositivo stesso fa si che l impedimento del cavo sia considerevole per il lavoro da svolgere. In questo caso l ostacolo del cavo può essere ovviato dall uso della tecnologia senza fili; il bridge preleva i dati dal dispositivo wireless inviandoli verso PROFIBUS e viceversa. La Figura 1.4 mostra un caso in cui il bridge realizzato risolve il problema in cui il cavo rende disagevole l uso di una parte mobile quale può essere un carrello. Impedimento del cavo Master Carrello PROFIBUS-DP Movimentazione Slave Figura 1.4 : Carrello con movimentazione disagevole per via del cavo di collegamento In Figura 1.5 il cavo è sostituito da una connessione senza fili fra il bridge interfacciato con la rete PROFIBUS e un sensore wireless posto sul carrello. Comunicazione wireless Master Carrello PROFIBUS-DP Movimentazione Bridge Realizzato Slave Figura 1.5 : Carrello la cui movimentazione è resa agevole con una connessione wireless 17

26 Capitolo 1: Il lavoro di tesi. Un secondo possibile utilizzo può essere quello di accoppiatore fra due reti PROFIBUS distinte; utilizzando due medesime schede appositamente configurate, i dati provenienti dalla prima rete PROFIBUS possono essere indirizzate alla seconda rete PROFIBUS utilizzando il wireless come mezzo trasmissivo intermedio e viceversa. Master Comunicazione Wireless Master PROFIBUS-DP Bridge Realizzato Bridge Realizzato PROFIBUS-DP Lato Profibus Slave Slave Lato Profibus Figura 1.6 : Utilizzo del bridge di rete come accoppiatore. 18

27 CAPITOLO 2 PANORAMICA SUL PROFIBUS E WLAN Introduzione In questo capitolo sono raccolte tutte le informazioni teoriche necessarie per il lavoro di tesi. In particolar modo viene mostrata una panoramica riguardante il PROFIBUS e le WLAN. 19

28 Capitolo 2: PROFIBUS e WLAN. 20

29 Capitolo 2: PROFIBUS e WLAN. 2.1 PROFIBUS PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) è insieme di protocolli, aperti e largamente diffusi per l'implementazione di bus di campo industriali, in grado di coprire un ampio spettro di applicazioni Caratteristiche del Protocollo PROFIBUS Aperto PROFIBUS permette lo scambio di dati tra dispositivi di produttori diversi senza alcuna necessità di ricorrere a speciali adattamenti dell'interfaccia. PROFIBUS è stato standardizzato inizialmente attraverso la norma tedesca DIN , in seguito con la norma Europea EN e per ultima con la certificazione internazionale IEC Indipendente dal Fornitore I dispositivi PROFIBUS sono offerti da molti produttori qualificati. Questo permette all'utente di scegliere il dispositivo più adatto e il fornitore preferito per realizzare qualsiasi applicazione. Consolidato PROFIBUS è una tecnica completa e consolidata che ha già superato il test di oltre 10 milioni di applicazioni nei campi dell'automazione degli edifici, automazione della produzione, e dell' automazione dei processi. Certificato I test di conformità ed interoperabilità eseguiti in laboratori autorizzati da parte della "PROFIBUS User Organization (PNO)", unitamente alla certificazione dei dispositivi PNO, fornisce agli utenti la piena garanzia di qualità e funzionalità, anche in caso di installazioni multi-fornitore. Ottimizzato per un ampio campo di utilizzo PROFIBUS inizialmente comprendeva le seguenti tre versioni in funzione dell'applicazione: 21

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