3. I Sistemi Distribuiti

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1 Sistemi Logico Programmabili Cap I Sistemi Distribuiti 3.1 Dai sistemi centralizzati a quelli distribuiti L uso dei calcolatori è nel bel mezzo di una rivoluzione. Dal 1945, quando cominciò l era dei calcolatori moderni, fino a circa il 1985, i calcolatori erano grandi e costosi e perfino i minicalcolatori costavano decine di migliaia di dollari ciascuno. Come risultato, nella maggior parte dei casi, il numero di calcolatori di una organizzazione era esiguo, e poiché non c era modo di collegarli, questi calcolatori di solito operavano in modo indipendente l uno dall altro. A partire dagli anni ottanta, due innovazioni tecnologiche cominciarono a cambiare questa situazione. La prima fu lo sviluppo di potenti microprocessori. Inizialmente si trattava di macchine a 8 bit, ma presto divennero comuni CPU a 16, 32, e perfino 64 bit; molte di esse avevano la potenza computazionale di un mainframe di decenti (cioè grandi) dimensioni, ad una piccola frazione del suo prezzo. La seconda innovazione fu l invenzione di reti locali o LAN (local area network) ad alta velocità. Questi sistemi permettevano il collegamento di dozzine, centinaia, di macchine in modo tale che piccole quantità di informazioni potessero essere scambiate in circa un millisecondo. Quantità maggiori di dati possono essere trasferite tra le macchine a ritmi maggiori di 10 milioni di bit al secondo. Il risultato di queste due tecnologie è che ora è non solo possibile, ma anche facile, mettere insieme sistemi di calcolo composti da un gran numero di CPU connesse da una rete ad alta velocità. Questi sistemi vengono di solito chiamati sistemi distribuiti, in contrapposizione ai precedenti sistemi centralizzati formati da una sola CPU, dalla sua memoria, dalle periferiche e da alcuni terminali. Il fatto che sia possibile costruire sistemi distribuiti porta a vantaggi e a svantaggi; tra i vantaggi si possono enumerare: la distribuzione intrinseca di alcune applicazioni che richiedono macchine separate e distanti, affidabilità, scalabilità, modularità, la crescita incrementale, la condivisione dei dati, la comunicazione in tempo reale ; sebbene i sistemi distribuiti abbiano i loro punti di forza, essi hanno anche i loro punti deboli, il principale dei quali è il software, molto più complesso che non quello dei sistemi centralizzati, e la dipendenza da un efficiente sistema di comunicazione in tempo reale. Come si è visto esaminando i vari settori del CIM, il vantaggio dell'automazione e della gestione computerizzata dei reparti è strettamente legato al concetto di integrazione e cioé una struttura aziendale viene snellita e resa più efficiente se i computer relativi ad una funzione possono comunicare in tempo reale con i computer relativi ad altre funzioni e magari dislocati in aree differenti. Ad esempio i computer addetti all'interfaccia uomo-macchina devono poter accedere a dati di tipo e Pag. 93

2 A. Flammini provenienza diversa e tale "accesso" deve avvenire in tempo reale o perlomeno deve essere scandito da tag temporali; infatti per poter intervenire o anche solo analizzare un processo è necessario disporre dei dati d i =d i (t) in modo da poterli correlare correttamente Organizzazione dei sistemi distribuiti in azienda Solitamente troviamo almeno quattro livelli gerarchici in un sistema di comunicazione in ambito CIM (vedi figura). Livello 4 Controllo societario/finanziario Livello 3 Controllo azienda/fabbrica Livello 2 Rete locale Direzione di settore Direzione di settore Controllo di cella Bus di campo Controllo di cella Livello 1 Tali livelli sono spesso indicati come: AZIENDA (differenti fabbriche che possono trovarsi in località diverse, pur nell'ambito della stessa organizzazione aziendale, devono essere tra loro interconnesse) FABBRICA (tutti i minicomputer di ogni reparto devono essere tra loro collegati per consentire un efficiente scambio di dati) REPARTO (il minicomputer di ciascun reparto o ufficio deve coordinare le attività complessive di tutti i sistemi computerizzati presenti nel reparto stesso) ISOLE (ogni parte delle attrezzature controllate da computer, macchine utensili, robot, terminali CAD, elaboratori testi, unità di programmazione,... deve poter comunicare in modo efficiente e rapido a seconda del settore applicativo) A livello di comunicazione tra azienda, fabbrica e reparto operano i sistemi informativi aziendali che in genere si appoggiano a Intranet, ossia una sottorete locale di Internet. Il principale requisito è la sicurezza, non nel senso della sicurezza rispetto alla propagazione del guasto o della salvaguardia o diagnostica dell integrità dei dati rispetto a cause accidentali (disturbi), ma nel senso di sicurezza rispetto alle violazioni, cioè ad accessi non autorizzati. A livello di comunicazione tra isole operano le reti Pag. 94

3 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 locali (LAN), il cui principale requisito è la compatibilità e l espandibilità dato che connettono sistemi standard e proprietari. Con l avvento di Internet spesso i sistemi informativi poggiano direttamente sulle LAN che sono di fatto delle intranet, per cui si tende a parlare di LAN in senso lato. Nel caso si analizzi l organizzazione CIM del solo reparto di produzione di una azienda manifatturiera, è possibile individuare la tipica struttura, detta piramide CIM, visibile in figura seguente. Piramide CIM ERP E SCADA PLC SENSORI - MOTORI Tipicamente in questo ambito il livello 1 è costituito dai trasduttori (finecorsa, sensori, encoder, ) e attuatori (relè, motori, elettrovalvole, spie di segnalazione, ) posti sull impianto di produzione; a livello 2 ci sono i controllori di cella (PLC, CNC) che controllano sensori e trasduttori ai quali sono collegati direttamente o tramite bus di campo. Tutti i PLC che coordinano le varie celle di un reparto di produzione sono collegati fra loro tramite rete locale alla quale si connette anche un sistema SCADA di supervisione (livello 3). Il livello 3 viene anche detto livello di sistema e/o celle e i sistemi di comunicazione vengono detti bus di processo o di cella. A livello 4, detto anche livello di controllo e di servizio, ho in generale i sistemi CAD/CAM e, utilizzando una terminologia più moderna, i sistemi ERP/MES. Tali sistemi elaborano i dati di produzione e li presentano in una forma adeguata al management, prelevandoli da tutti i sistemi SCADA della fabbrica ai quali sono connessi, sempre tramite LAN. Salendo nella piramide aumenta la quantità di dati e diminuiscono i requisiti in termini di aderenza stretta al tempo reale Sistemi di comunicazione: reti Per l'implementazione di un sistema di comunicazione nell'ambito di un singolo stabilimento, si fa normalmente uso delle reti locali (LAN, Local Area Network). Le LAN sono reti private all interno di un singolo edificio, di dimensione al più di qualche chilometro. Esse sono utilizzate per collegare i calcolatori, le stazioni di lavoro degli uffici o degli stabilimenti delle aziende per permettere la condivisione delle risorse e lo scambio di informazioni. Le LAN si distinguono dagli altri tipi di rete (MAN metropolitan area network, WAN wide area network...) per tre caratteristiche: (1) le loro dimensioni, (2) la loro tecnologia Pag. 95

4 A. Flammini (3) la loro topologia. Le LAN sono di dimensioni ridotte (pochi Km), che significa che il tempo peggiore di comunicazione è limitato e conosciuto a priori; permettono velocità di trasmissione che vanno dai 10 a100 Mbps, fanno pochi errori, hanno un basso ritardo (decine di microsecondi). Le LAN usano spesso una tecnologia di trasmissione ad un solo cavo al quale tutte le macchine sono collegate (ma ci sono eccezioni); sono possibili differenti topologie per le reti broadcast a bus o ad anello. I principali parametri che caratterizzano una LAN sono: COMPATIBILITÀ (la rete deve essere in grado di supportare una serie di dispositivi diversi nodi- ed eventualmente di collegarsi ad un'altra rete) ESPANDIBILITÀ (la rete deve essere facilmente espandibile e riconfigurabile a costi contenuti) AFFIDABILITÀ (L'intero processo di lavorazione dipende dal corretto funzionamento del sistema di comunicazione: tutti gli elementi della rete -nodi, interfacce, mezzi trasmissivi,..- devono essere progettati in modo tale che un guasto ad un componente agisca solo sul nodo corrispondente, senza bloccare l'intera rete) PRESTAZIONI (velocità di trasmissione dei dati, numero di utenze, lunghezza massima del mezzo..) 3.2 Architettura ISO-OSI, TCP-IP L'architettura di una rete locale, come di una qualsiasi altra rete, può essere descritta in termini di architettura a strati secondo il modello OSI-RM (Open System Interconnection Reference Model), definito nel 1978 dalla ISO (International Standard Organization) e ispirato alla rete telefonica a lunga distanza. Tale modello stabilisce 7 livelli di descrizione: FISICO Fa riferimento alla trasmissione dei singoli bit lungo un canale di trasmissione. Definisce le caratteristiche elettriche e meccaniche degli interfacciamenti: un esempio di definizione a livello fisico è costituita dagli standard EIA -RS232, RS422, RS485,..- DATA LINK Tale livello ha il compito di svolgere diverse funzioni ; queste includono una buona interfaccia di servizio al livello di rete, il raggruppamento dei bit del livello fisico in pacchetti (data-frame), la gestione degli errori di trasmissione e la regolazione del flusso dei pacchetti in modo che i riceventi lenti non siano travolti dai pacchetti dei mittenti rapidi, evita collisioni per trasmissioni su singolo canale di più utenti. Ad esempio, un pacchetto a questo livello potrebbe essere del tipo Flagstart(7EH) - indirizzo(1 byte) Messaggio(n bit) Controllo(1 byte) Flagstop(7FH). RETE Il livello di rete si occupa di trasmettere pacchetti dalla sorgente alla destinazione. Per raggiungere la destinazione puo essere necessario attraversare lungo il percorso diversi router. E una funzione diversa dal livello due, il quale ha il compito di portare i pacchetti da un estremo all altro di un cavo. Questo livello si occupa della trasmissione Pag. 96

5 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 tra nodi, punto-punto. Tale livello deve conoscere qualcosa sulla topologia della rete di comunicazione e deve scegliere percorsi appropriati attraverso essa. TRASPORTO La funzione principale del livello di trasporto è di accettare dati dal livello superiore, spezzarli in piccole unità se necessario, passare queste al livello di rete, e assicurarsi che tutti i frammenti giungano correttamente a destinazione, ricostruendo i messaggi indipendentemente dall ordine di arrivo e dalla loro provenienza; deve inoltre gestire il riconoscimento dei dati persi, il controllo del flusso e il controllo di congestione della rete. Questo è un livello end-to-end, nel senso che gira solo sulle macchine mittente e destinatario (i livelli inferiori devono girare su tutte le macchine). SESSIONE Si occupa di spezzare la trasmissione di un unico trasferimento in piu sessioni; stabilisce la comunicazione tra gli utenti, verificando le autorizzazioni di accesso, attribuendo i costi della comunicazione,.. PRESENTAZIONE Stabilisce la conversione dei dati in formati utilizzabili da terminali video e stampanti e cioé in forma direttamente manipolabile dall'operatore (ASCII, UNICODE). APPLICAZIONE E il livello di descrizione del programma utente. Si sentirà parlare più spesso di architetture, reti, backbone TCP/IP; questo perchè il modello ISO-OSI nonostante sia ottimo e molto pulito concettualmente, ha poca valenza pratica e applicativa. La presenza del PC e di Internet ha facilitato l affermarsi del modello TCP-IP, basato su quattro livelli: host-rete, internet, trasporto e applicazione. Da come si vede in figura in questo modello mancano i livelli di presentazione e sessione del modello OSI, mentre il livello host-rete corrisponde ai primi due livelli dell OSI. Più in generale al livello host-rete troviamo Ethernet o SLIP (Serial Line Internet Protocol), a livello rete troviamo tipicamente IP (Internet Protocol), mentre a livello trasporto si trovano i protocolli TCP (Transfer Control Protocol), mentre a livello applicazione vi sono i protocolli utilizzati dai PC, quali HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) o ftp (file transfer protocol). ISO/OSI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento dati Fisico TCP-IP Applicazione Trasporto IP (Internet) Host-rete (Ethernet, SLIP, ) Pag. 97

6 A. Flammini Ma la principale differenza è che nel modello TCP-IP (1) sono stati standardizzati e vagliati solo i livelli di rete e di trasporto che sono effettivamente le parti che servono e possono rimanere stabili per più tempo perché poco legate all hardware, (2) si è lasciata ampia libertà nel definire i protocolli a livello basso, sia a livello fisico che di linea Le Reti Industriali Le reti presenti in ambiente industriale si suddividono in LAN (ETHERNET, MAP- Manufactoring Automation Protocol-,..), principalmente basate sul modello TCP-IP e bus di campo (Field-bus), per lo più descritti ai livelli più bassi (1,2) e al livello di applicazione (7) del modello ISO-OSI. L'automazione dei processi industriali tende a strutture impiantistiche decentrate; ciò significa che un complesso sistema di controllo centrale può essere suddiviso in più parti di piccole dimensioni, il che permette di elaborare le informazioni in modo più veloce direttamente laddove siano necessarie, oltre a consentire una maggiore disponibilità degli impianti, poiché in caso di fuori servizio di una parte del sistema tutto il resto continua a funzionare. La stessa logica vale anche per i sistemi di comunicazione e pertanto si incontrano sempre più frequentemente sistemi di comunicazione a più bus (sistemi di comunicazione multibus). Tra i principali vantaggi di un sistema di comunicazione a bus ricordiamo la possibilità di effettuare una qualsiasi comunicazione tra le stazioni interconnesse (traffico dati incrociato a piacere), il ridotto onere di cavi grazie alla struttura a linee comuni, la possibilità di ampliare il sistema, aggiungendo una o più stazioni, senza dover modificare la struttura impiantistica già esistente. Il bus può essere a controllo (arbitro) centralizzato o decentralizzato: nel primo caso il diritto di accesso al bus viene gestito da un master centrale che quindi rappresenta il collo di bottiglia sia per le prestazioni che per l'affidabilità o la disponibilità del sistema, nel secondo caso, il più utilizzato, ogni stazione è in grado di gestire l'accesso al bus. Il protocollo MAP (Manufactoring Automation Protocol), nato da General Electric con lo scopo di far comunicare i computer in ambiente industriale, è definito in più documenti: - FullMAP 3.0 (1987) - MiniMap (1988) è una versione contenente solo I livelli 1,2 e 7 (non full OSI standard) ed è un architettura ridotta carrier band, single channel più veloce ed efficiente utilizzata per comunicare con i dispositivi - Una versione del MAP, EPA (Enhanced Performance Architecture) è stata sviluppata, ed è supportata dalla industria del controllo di processo (Full MAP in parallelo al MiniMAP) nel La principale caratteristica è il Broadband, ossia la possibilità di comunicazione tra più utenti sullo stesso cavo utilizzando differenti frequenze per i canali di trasmissione e ricezione. Usa cavi spessi (1 inch) con frequenze di trasmissione fino a 10 Megabits/sec. per canale. E possibile anche la comunicazione mediante il livello fisico Carrierband, che è più economico, usa cavi più piccoli a discapito della massima frequenza di trasmissione. A livello di data link utilizza il token passing (LAN IEEE token-passing bus), mentre a livello applicazione vi sono più protocolli: Pag. 98

7 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 - FTAM (File Transfer Access Method) per il trasferimento di file - MMS (Manufacturing Message System) per la gestione di messaggi (modelli di dispositivi e sistemi orientati all accessibilità) - ACSE (Association Control for Service Elements) per la comunicazione tra i programmi Per la rete di comunicazione a livello di cella si tende ad utilizzare sempre di più Ethernet, grazie alla notevole presenza di sistemi basati su PC, mentre a livello di sensori e attuatori si utilizzano bus veloci anche se semplici, noti come bus di campo (field-bus). Di seguito viene rappresentata una gerarchia di bus: come si osserva l Host o SCADA è il sistema mediante il quale l area accede alle celle. Il bus a livello di cella viene differenziato da quello di campo in quanto ospita sistemi intelligenti con elevato flusso di informazioni, mentre il bus di campo ha decisamente messaggi più brevi, tuttavia la tendenza è quella di assimilare il bus di cella al livello superiore (Ethernet/Internet) o di ripartire gli utenti tra livello superiore e inferiore. Pag. 99

8 A. Flammini I bus di campo I bus di campo, definiti nella normativa IEC61158, provvedono alle comunicazioni tra le unità preposte al comando (PLC) e la periferia, i sensori e gli attuatori. Tali reti sono caratterizzate da notevoli esigenze in termini di determinismo, ossia ridotto tempo di latenza della risposta, tuttavia la messaggistica è in genere semplice, il numero di utenti limitato ( 10) e tali reti poggiano il livello applicazione direttamente sul livello data link. Supportano semplici algoritmi di autodiagnostica, autoconfigurazione e controllo (PID). I principali requisiti di un bus di campo sono i seguenti: GESTIONE MESSAGGI - capacità di trasmissione adeguata (numero dati per messaggio) - garanzia dei tempi massimi di trasmissione SICUREZZA DEL SISTEMA - protezione rispetto alla propagazione del guasto - protezione all integrità dell informazione (codici di controllo e/o correzione) REQUISITI TECNOLOGICI - compatibilità verso altri sistemi di comunicazione e/o infrastrutture Verso gli anni 80 sono andati affermandosi bus di campo semplici e proprietari, tipicamente basati sullo standard di trasmissione seriale RS485 (1Mbaud, 1km). Si trattava di architetture a un solo master (tipicamente il PLC) e più slave (i sensori e gli attuatori) nelle quali il master interrogava ciclicamente gli slaves. Alcune di queste soluzioni sono evolute verso architetture multimaster, altre hanno modificato la strategia di accesso al bus per cui viene a cadere la distinzione tra utente master e utente slave. Oggi ai bus di campo vanno affiancandosi soluzioni tecnologicamente più avanzate quali protocolli basati su Industrial Ethernet o reti wireless. Pag. 100

9 Sistemi Logico Programmabili Cap I bus di campo Bus di campo è un espressione generica che descrive una nuova forma di comunicazione digitale dedicata ai sistemi a basso livello, quali sensori o attuatori, la quale si prevede sostituirà nell industria la tecnologia analogica per collegamenti punto a punto basata su segnali a 4-20 ma. Infatti, come si è detto, la modalità di trasmissione numerica presenta notevoli vantaggi in termini di possibilità di trasmettere più informazione e migliori potenzialità di interfacciamento. Già dai primi anni 80 i costruttori di sensori o attuatori di una certa complessità, come ad esempio telecamere o azionamenti, avevano fornito i propri sistemi di interfaccia numerica, seriale o parallela, per consentire una connessione punto a punto con i sistemi a più alto livello, quali PLC o PC. Tuttavia tale modalità di connessione, tipicamente una RS232 con un semplice protocollo ASCII, sebbene adatta per la fase di configurazione e predisposizione del trasduttore, durante la fase operativa nella quale il flusso informativo è più ridotto, comporta un numero di cavi confrontabile con la modalità analogica tradizionale. L architettura a bus, nella quale un unico conduttore viene utilizzato per connettere più sistemi, consente invece una notevole riduzione dei cablaggi. Il bus rappresenta il mezzo fisico utilizzato per trasportare i dati. Tipicamente si tratta di un fascio comune di fili conduttori collegante assieme più dispositivi per permettere loro di comunicare scambiandosi dati. Contrariamente ad una connessione punto a punto, dove solo due circuiti si scambiano informazioni, un bus conta generalmente un numero di utenti superiore. Esistono molteplici modi per collegare insieme i vari elementi e, a seconda dell'applicazione, è consigliabile scegliere una topologia piuttosto che un'altra. Le più comuni sono quelle ad anello, a stella e a bus. Mentre una comunicazione punto a punto è limitata a due circuiti collegati ai due estremi del cavo, nel caso di un bus la flessibilità di estensione aumenta. In effetti, l aggiunta di un nuovo trasduttore da collegare al bus esistente costituisce raramente un problema: la maggior parte dei bus di campo sono infatti in grado di rilevare autonomamente la lista degli utenti presenti. A livello di comunicazione, rispetto a connessioni tra soli due nodi, il modo di scambiare dati attraverso un bus di campo richiede regole più severe. Infatti, ad esempio, bisogna prevedere l'accesso contemporaneo al mezzo da parte di più elementi e regolamentare nel modo più rigoroso possibile tutto ciò che serve per poter trasmettere i dati in maniera rapida ed affidabile. Tali regole di convivenza vengono comunemente chiamate protocollo. Un aspetto di rilevante importanza nel protocollo di tutti i bus di campo lo riveste la sicurezza dei dati trasmessi e ricevuti. Spesso sono previsti più meccanismi che agiscono in contemporanea e a volte, specialmente negli ambienti più critici, tale aspetto diventa un fattore discriminante nella scelta del protocollo da usare. I primi bus di campo legati al mondo dei trasduttori sono stati sviluppati direttamente dai costruttori dei trasduttori stessi: si trattava in genere di reti master-slave basate sul livello fisico RS485. Lo standard EIA RS485, nato nel 1983 come raccomandazione tecnica dell Electronic Industries Association (EIA), consente ad una stessa linea, tipicamente costituita da un doppino, di ospitare fino a 32 ricevitori e fino a 32 trasmettitori con frequenze di trasmissione fino a 10 Mbaud e lunghezze del collegamento fino a 10 km. L architettura master-slave, dove un solo master interroga ciclicamente gli slave, ossia i trasduttori, è la più semplice e quella che previene da situazioni di conflitto, ossia di accesso contemporaneo al bus da parte di più utenti. Pag. 101

10 A. Flammini Ipotizzando comunicazioni bidirezionali, si possono avere due tipi di connessione: 1) utilizzando driver e receiver 2) utilizzando transceiver Nel primo caso (figura a sinistra), il master trasmette sulla linea Tx e riceve sulla linea Rx, mentre lo slave trasmette sulla linea Rx e riceve sulla linea Tx, proprio come avviene nei collegamenti RS232; nel secondo caso (figura a destra) vi è un unica linea per cui viene a cadere la distinzione tra master e slave (half duplex) tuttavia vi è un decremento delle prestazioni in quanto non vi può essere trasmissione e ricezione simultanea. Tx Rx MASTER Tx/Rx MASTER SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE SLAVE La presenza di tanti protocolli diversi tra loro costringeva ad un notevole lavoro di implementazione sul sistema a più alto livello (PLC, PC), impedendo di fatto l intercambiabilità tra componenti di differenti costruttori. Per evitare di dover ogni volta implementare i vari protocolli proprietari sul PLC, spesso si ricorreva a dei convertitori di protocollo, ossia dei sistemi che agivano come master della rete proprietaria dei trasduttori e come slave della rete nota al PLC. Alcune di queste reti proprietarie master-slave sono evolute verso architetture multimaster, altre hanno modificato la strategia di accesso al bus per cui viene a cadere la distinzione tra utente master e utente slave. Nel primo caso (accesso al bus di tipo deterministico) i master sono autorizzati alla trasmissione per un tempo prestabilito (tempo di mantenimento del token), scambiandosi l autorizzazione a trasmettere (token) secondo una sequenza prestabilita. Tale soluzione si dice deterministica perché è possibile calcolare un tempo massimo entro il quale l informazione di qualsiasi utente verrà trasmessa: infatti il master avrà il token tipicamente ogni N*T (allocazione round robin del token), dove N è il numero dei master e T è il tempo di mantenimento del token per ogni master. Lo svantaggio di una simile configurazione è che manca una logica di priorità e cioè le segnalazioni urgenti possono essere inoltrate solo previo ottenimento del token. L affidabilità di una simile rete è ottima, purché si preveda un meccanismo di sorveglianza del token e di eventuale reinizializzazione della rete. Nel secondo caso (accesso al bus di tipo casuale) ogni utente verifica se la rete è libera quindi accede alla rete e, in caso di collisione, tipicamente interrompe la trasmissione e attende nuovamente la condizione di rete libera (retry). Tale strategia di accesso è non deterministica in quanto il tempo che intercorre tra l esigenza di inoltrare un messaggio e l effettiva presenza del messaggio in rete non è nota a priori ma dipende dal traffico su rete. I bus proprietari di grandi costruttori sono diventati standard de facto, mentre altri costruttori si sono consorziati per stabilire delle modalità di trasmissione dell informazione che fossero convenienti per più utenti. Molti costruttori di trasduttori hanno quindi abbandonato i bus proprietari per rivolgersi verso bus di campo più diffusi. Nella scelta di un bus di campo intervengono diversi fattori, tra i quali: Pag. 102

11 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 1) capacità di trasmissione adeguata (numero dati per messaggio) 2) garanzia dei tempi massimi di trasmissione 3) protezione rispetto alla propagazione del guasto 4) protezione sull integrità dell informazione 5) compatibilità verso altri sistemi di comunicazione e/o infrastrutture Nel caso dei sensori e attuatori i messaggi sono a volte molto semplici quindi la caratteristica (1) può non essere di fondamentale importanza, mentre la caratteristica (2), fondamentale nei sistemi in tempo reale, può non essere indispensabile in settori applicativi quali la domotica. E difficile quindi stabilire una graduatoria tra i bus di campo in quanto la loro validità dipende dall applicazione. Di seguito vengono elencati, senza pretesa di esaustività, alcuni tra i bus di campo particolarmente interessanti a livello di trasduttori. Profibus è uno standard tedesco che oggi copre il maggior numero di applicazioni industriali in Europa. La sigla Profibus comprende tre diversi protocolli: - Profibus FMS (Fieldbus Message Specification), 1989 Implementato nei livelli ISO-OSI 1,2,7, consente la comunicazione tra i processi a livello di cella. E orientato alla comunicazione multimaster (token-passing); è versatile e consente una grande varietà di applicazioni - Profibus DP (Device Peripheral), 1994 Implementato nei livelli ISO-OSI 1,2 -linee guida users invece del livello 7-, è dedicato alla comunicazione tra i processi veloci a livello di campo (sensori, attuatori,..). Veloce (fino a 12Mbit/s), efficiente ed economico (RS485, fibra ottica), supporta un notevole numero di utenti (126 max.), di tipo master o slave, su oltre 100m di distanza, dispone di funzioni diagnostiche e di autoconfigurazione -Plug and play- - Profibus PA (Process Automation), 1995 Implementato nei livelli ISO-OSI 1,2 -linee guida users invece del livello 7-. Utilizza la tecnologia trasmissiva IEC (IEC ), a sicurezza intrinseca (variante H1, 31.25kbit/s, 10 utenti, 1900m) che prevede l alimentazione fornita dal bus stesso e consente la sostituzione dei dispositivi in linea. Utilizza una codifica Manchester con protocollo di tipo sincrono (frame). CANbus, sviluppato dalla Bosch nel 1985 per le esigenze del settore automobilistico, è un bus semplice ed economico multi-master a rilevazione di collisione che consente la connessione a un massimo di 32 utenti (50m a 1Mbit/s, 100m a 500kbit/s). Sulla linea i dati vengono rappresentati con il formato NRZ (non return to zero) codificati a campi di bit, con un campo dati di massimo 8 bytes. Il livello applicazione più utilizzato in Europa è CANOPEN, mentre in America è più diffuso DeviceNet. Il BitBus, nato nel 1991 e noto anche come standard IEEE1118, consente la connessione a 375kbit/s a un massimo di 28 utenti per lunghezze di collegamento fino a 1200m. Utilizza il protocollo SDLC di Ethernet e quindi il suo principale vantaggio consiste nella naturale interfacciabilità verso il bus a livello superiore. Interbus-S, sviluppato nel 1984 dalla Phoenix Contact e noto come DIN 19258, consente la connessione a 500kbit/s a un massimo di 256 utenti per lunghezze di Pag. 103

12 A. Flammini collegamento fino a 400m per stazione. La struttura del collegamento è ad anello anziché a stella e il protocollo è autoconfigurante. LonWorks, nato nel 1991, consente la connessione a 1.25Mbit/s a un massimo di 100 nodi per lunghezze di collegamento fino a 2000m. La caratteristica del protocollo è di essere descritto a tutti i livelli ISO-OSI, cosa piuttosto insolita nei bus di campo. Il protocollo è stato pensato per architetture parallele o neuronali. WorldFIP, nato nel 1988 e noto come parte integrante della norma europea EN50170, consente la connessione a 1Mbit/s a un massimo di 64 utenti per lunghezze di collegamento fino a 1000m (la velocità massima varia al variare della lunghezza). Oltre alla trasmissione su conduttore intrecciato e schermato e su fibra ottica, WorldFIP trasmette anche su onde radio. Foundation Fieldbus, sviluppato nella prima metà degli anni 90 dalla Fieldbus Foundation org. (consorzio di più aziende tra le quali National Instruments, ABB,..) è un bus che connette fino a 32 utenti su distanze fino a 1900m con basse velocità di trasmissione (31.25kbit/s) e cavo economico (doppino telefonico). Come avviene nei bus a sicurezza intrinseca, l alimentazione è fornita dal bus stesso. Modbus, sviluppato nel 1979 dalla Modicon, costruttrice di PLC, è un bus ad architettura master-slave a singolo master che permette di collegare fino a 247 utenti su distanze fino a 1900m con basse velocità di trasmissione (da 0.3 a 19.2kbit/s) e RS232 o RS485 su cavo economico (doppino). Grazie ad un protocollo molto semplice, viene largamente utilizzato per terminali, drivers,... Actuator Sensor Interface (AS-i), nato nel 1994 è un bus deterministico a singolo master dedicato alla connessione tra PLC (master) e fino a 31 trasduttori (slaves) a informazione molto limitata (4 bit per slave) Si utilizza un doppino non schermato, la velocità di trasmissione è di 167kbit/s e raggiunge lunghezze di collegamento di 100m. Si utilizza la codifica Manchester e, pur nella sua semplicità, è un bus a sicurezza intrinseca che supporta l autoconfigurazione. A livello normativo nel 2000 è stato emesso lo standard IEC sui bus di campo (Fieldbus standard for use in industrial control system). Inizialmente (1993) ci si è proposto di regolamentare il livello fisico (IEC ) e attualmente diversi bus (Worldfip, Profibus-PA) sono conformi a tale normativa, mentre la regolamentazione del livello dati (Data Link Layer), descritta in IEC (1998), è stata molto più sofferta, tanto che si è giunti all attuale edizione che prevede 8 tipi di bus: IEC ControlNet Profibus P-NET Fieldbus Foundation High Speed Ethernet SwiftNet Worldfip Interbus Pag. 104

13 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 In realtà si pensa che quest elenco sia destinato ad allungarsi (Es. ProfiNET), cosa che favorisce l affermazione dei protocolli di Internet i quali, pur non essendo nati per il settore dell automazione, rappresentano però uno standard de facto, supportato da qualsiasi ambiente SW (RTOS). Sempre recentemente è stato emesso lo standard IEC62026 (Low-voltage switchgear and controlgear Controller-Device Interfaces or CDIs) per la specifica dell interfaccia digitale tra dispositivi di comando e sistemi a più alto livello (PLC, PC). Tale norma prende le distanze dai bus di campo utilizzati a livello di cella per la connessione di sistemi di una certa complessità, specificando componenti e requisiti delle CDIs. Lo standard supporta 3 bus: AS-I, DeviceNet e SDS (Smart Distributed Systems). Molti bus di campo non sono così aperti per cui il costruttore di sensori che vuole dotare il suo trasduttore di un interfaccia verso bus di campo, spesso si vede costretto a consorziarsi per poter accedere ai dispositivi periferici inoltre a volte deve supportare i costi di certificazione dell interfaccia sviluppata. Per questo ed altri motivi di tipo commerciale, i bus di campo stentano a entrare massicciamente nel mercato dei sensori economici e taluni ritengono che i bus di campo passeranno rapidamente dall alba verso il tramonto a favore di soluzioni basate su Ethernet/Internet, che peraltro è già presente in ambiente industriale a livello di cella e di area. Ethernet/Internet sta diventando la soluzione unificata per gestire le comunicazioni di un azienda, e viene già proposta in alternativa ai bus di campo. Contrariamente alla maggior parte dei bus di campo, generalmente definiti solo ai livelli 1,2 e 7 ISO/OSI, per Ethernet IEEE802.3 (livello 1 e 2) sono disponibili anche altri livelli standard, come per esempio tutti quelli di Internet. Rispetto ai bus di campo sopra citati, Ethernet risulta quindi penalizzata perchè non deterministica e a bassa efficienza (il numero di byte trasmessi è elevato rispetto al numero di byte che contengono effettivamente informazione) e questi sono i motivi che per lungo tempo ne hanno escluso l uso come bus di campo. Oggi le nuove tecnologie (switches, GigaEthernet) riducono notevolmente la probabilità di collisione, e la bassa efficienza viene compensata dalla possibilità di interfaccia diretta verso i livelli superiori e utenti remoti (Internet), per cui molti bus di campo si stanno preoccupando della compatibilità verso Internet. Si assiste così al proliferare di studi per la gestione combinata dei bus di campo con le nuove tecnologie (Ethernet, wireless, Internet): ad esempio, alla ben nota procedura che permette di incapsulare messaggi Modbus in pacchetti TCP/IP liberi di circolare su Internet (Modbus over TCP), oggi si studia a come incapsulare messaggi CAN o Profibus in pacchetti TCP/IP o in pacchetti più direttamente destinati alla trasmissione wireless e, allo stesso tempo, a come far circolare pacchetti TCP/IP su bus di campo come Profibus. Anche dal punto di vista normativo, si sta facendo molto per regolamentare il settore noto come Real Time Ethernet (RTE), ossia le reti basate su Ethernet a 100Mbaud per applicazioni in tempo reale in ambito industriale. Nei paragrafi successivi si vuole approfondire alcuni tra i più utilizzati bus di campo valutando cosa significhi dotare un sensore di un interfaccia verso bus di campo. Se infatti si valuta il solo aspetto progettuale, un sensore smart è già dotato per sua natura di un processore, tipicamente un microcontrollore (μc) per l elaborazione del segnale e la compensazione delle non idealità della caratteristica di trasferimento tra misurando e segnale; per ottenere l interfaccia su bus di campo si tratterebbe quindi di aggiungere il dispositivo periferico dedicato al bus di campo selezionato e gli eventuali dispositivi di interfaccia elettrica e isolamento, come indicato in figura e sviluppare il software sul processore relativo alla gestione del protocollo. Pag. 105

14 A. Flammini In realtà la gestione del dispositivo periferico e il software per il supporto di tutte le funzionalità del protocollo possono comportare un notevole aggravio dei requisiti, in termini di capacità computazionale del processore e disponibilità di memoria variabili e codice, che si tradurrebbe in un inevitabile aumento dei costi. Vi possono essere, inoltre, ulteriori costi dovuti alla partecipazione a consorzi, che a volte si rende necessaria per poter disporre del supporto tecnico o, talvolta, degli stessi dispositivi periferici, oppure costi dovuti alla necessità di certificazione dell interfaccia. SENSORE μc Sensore smart Dispositivo periferico Dispositivo di isolamento Dispositivo di interfaccia elettrica Spesso quindi l interfaccia verso bus di campo viene offerta come opzione: a volte si tratta di un modulo aggiuntivo che comunque viene gestito dal processore che governa il sensore e che può essere offerto in alternativa alla tradizionale uscita analogica, a volte si tratta di un generico sistema che acquisisce la tradizionale uscita analogica del sensore (spesso tali sistemi fungono da collettori per più trasduttori) e la rende disponibile sul bus di campo Profibus Profibus (PROcess FIeldBUS) è un bus di campo fortemente voluto da Siemens, il cui sviluppo ed amministrazione è stato ufficialmente affidato ad un organizzazione denominata Profibus Trade Organization (PTO), composta da membri provenienti dal settore costruttivo, da istituti di ricerca e dall utenza finale. Attualmente vi sono anche altre organizzazioni per lo sviluppo di Profbus, quali Profibus User Organization (PNO) e Profibus International (PI); per l Italia esiste il Profibus Network Italia (PNI) con sede a Brescia. La tecnologia Profibus è nata come standard tedesco secondo la normativa DIN (1991), successivamente (1996) è stata riconosciuta conforme allo standard europeo (EN 50170). Profibus e riconosciuto come protocollo di tipo 3 dalla normativa IEC (International Electrotechnical Commision) (Digital data communication for measurement and control Fieldbus for use in industrial control Systems), mentre il protocollo di tipo 10 è riservato a Profinet, la comunicazione basata su Ethernet. La norma IEC descrive i bus di campo secondo i livelli ISO/OSI, mentre la norma IEC (Profile sets for continuous and discrete manufactoring relative to fieldbus use in industrial control systems) descrive i profili che risiedono sopra il livello 7; Profibus occupa il CPF (Communication Profile Family) 3 e in particolare CPF3/1 si riferisce alla versione Profibus DP, CPF3/2 si riferisce a Profibus-PA mentre CPF3/3 è dedicato a Profinet. Escludendo Profinet, che differisce in molti aspetti e merita un discorso a parte, la famiglia Profibus consiste di tre protocolli compatibili tra loro: Pag. 106

15 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): la prima versione di Profibus (1991), oggi in disuso e non previsto dalle norme IEC, rappresenta la soluzione general-purpose per la comunicazione anche a livello di cella. Il livello Applicazione è costituito dal Fieldbus Message Specification (FMS) e dal Lower Layer Interface (LLI). FMS contiene il protocollo verso l applicazione e le fornisce una vasta gamma di servizi potenti. LLI comunica sopra con FMS e sotto con lo strato di collegamento dati (livello 2), implementa relazioni di comunicazione che permettono a FMS di accedere al livello 2 indipendentemente dal tipo di dispositivo. Il livello 2, FDL, implementa il controllo per l acceso al bus e garantisce la sicurezza dei dati. Per la trasmissione fisica, il protocollo FMS permette di utilizzare sia la tecnologia basata su RS 485 (codifica del bit tramite segnale su tensione differenziale) che le fibre ottiche. Profibus DP (Device Peripheral): nato nel 1994 (DIN parte 3) è ottimizzato per collegamenti economici ad alte prestazioni. Questa versione Profibus, che è la più utilizzata, è rivolta soprattutto alla comunicazione tra sistemi di controllo e dispositivi distribuiti di I/O. Profibus DP utilizza gli strati 1 (PHY) e 2 (FDL) del modello a 7 strati ISO/OSI. Gli strati dal 3 al 7 non sono definiti per motivi di efficienza e le funzioni di comunicazione, previste dal protocollo e messe a disposizione dell utente attraverso l interfaccia utente, vengono mappate sul livello 2 da un applicativo denominato DDLM (Direct Data Link Mapper). Questa architettura razionalizzata assicura una trasmissione veloce ed efficiente. Per la trasmissione fisica, vale lo stesso discorso fatto con FMS. DP e FMS, utilizzando la stessa tecnologia trasmissiva e lo stesso protocollo di accesso al bus, possono operare simultaneamente sullo stesso cavo, anche se alle prestazioni del protocollo più lento (FMS). Profibus PA (Process Automation): nato nel 1995 (DIN parte 4) e progettato principalmente per l automazione di processo, consente di collegare sensori ed attuatori su una linea di comunicazione comune in aree a sicurezza intrinseca (EExi). Con il protocollo PA è possibile trasmettere dati e alimentazione su un bus a due conduttori in accordo con lo standard internazionale IEC (codifica del bit tramite segnale di corrente), che consente di operare in condizioni di sicurezza intrinseca permettendo ai dispositivi di essere alimentati direttamente sul bus. A livello fisico Profibus PA può essere interfacciato con DP per mezzo di un bridge-accoppiatore. PA utilizza per la trasmissione dei dati un protocollo DP esteso oltre ad un Profilo PA nel quale viene definito il comportamento dei dispositivi di campo. Profibus è il bus di campo più diffuso a livello europeo e consente di collegare i tipici utenti di cella (partner) anche se di differenti case costruttrici: computer industriali, PLC, dispositivi di programmazione, controlli per robot e macchine utensili, sensori, attuatori, azionamenti,... Si tratta di un bus ad accesso deterministico. Il successo di Profibus, che può vantare attualmente più di un milione di nodi installati ed una crescita vertiginosa in pochi anni, è dovuto al suo ampio spettro di applicabilità; dalla semplice connessione di attuatori e sensori fino al livello di cella, dall industria manifatturiera al settore macchine utensili, dal settore del building al processo fino all industria chimica e petrolchimica. E un bus di campo in grado di utilizzare, con lo stesso mezzo fisico, servizi per connessioni semplici orientate al byte e servizi per connessioni complesse (frame di configurazione, di parametrizzazione, di diagnostica ecc.) in modalità ciclica ed aciclica. Pag. 107

16 A. Flammini ISO/OSI FMS DP PA User Profili FMS Profili DP Profili PA 7 FMS Fieldbus Data Link (FDL) 1 RS-485 Fibra ottica (plastica, vetro, PCF -Photonic Crystal Fiber-) DP parte aciclica- DP parte ciclica- IEC interface IEC MPB (Manchester Encoded Powered Bus) Tutte le versioni di Profibus (DP, FMS e PA) utilizzano un protocollo uniforme di accesso al bus implementato al livello 2 del modello ISO/OSI. Per quanto riguarda i dispositivi, Profibus distingue tra: Dispositivi MASTER, che controllano la comunicazione sul bus. Un master può spedire messaggi senza richiesta esterna quando detiene il controllo della linea di comunicazione (possesso del token). Vengono anche chiamati stazioni attive. Dispositivi SLAVE: sono unità periferiche che non possono accedere al bus direttamente, se non per divulgare informazioni diagnostiche che lo riguardano. Possono solamente riconoscere messaggi ricevuti o spedire messaggi al master se richiesti esplicitamente. Dal momento che richiedono piccole porzioni di protocollo, la loro implementazione è particolarmente economica. Vengono anche chiamate stazioni passive. La gestione dell accesso al bus viene implementata nel protocollo Profibus secondo la filosofia mater/slave, mentre per quanto riguarda l accesso al bus tra master, si utilizza una procedura basata su token passing. La procedura token passing garantisce che il permesso di accesso al bus, concesso al master che possiede il token, sia definito per un intervallo di tempo preciso e costante; quindi il tempo che ogni master dovrà attendere per accedere al bus dipenderà dal numero di dispositivi attivi presenti nella rete e dal massimo tempo di utilizzo del bus permesso (token hold time). Il token viene passato da un master all altro secondo un ordine prefissato (anello logico). La procedura master/slave consente alla stazione attiva che in un preciso momento possiede il token di accedere alle stazioni passive a lui assegnate. Il master può spedire messaggi agli slave o richiedere messaggi dagli slave. Durante la fase di inizializzazione del sistema, il compito del sottostrato MAC (Medium Access Control, sottolivello del livello 2) di ogni dispositivo master è di definire il proprio indirizzo all interno dell anello logico costituito da tutti i dispositivi attivi. Durante la fase operativa, i master malfunzionanti o spenti devono essere tolti dall anello logico, mentre quelli attivati successivamente devono essere inseriti nell anello logico. Pag. 108

17 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 Un altro compito importante del livello 2 (FDL) riguarda la sicurezza dei dati. Il formato delle trame utilizzato nel protocollo Profibus assicura elevata integrità dei dati grazie a telegrammi caratterizzati da distanza di Hamming HD=4 (i codici differiscono per minimo 4 bit) ottenuti secondo le norme dello standard IEC Lo strato di collegamento dati (DDLM) permette il trasferimento delle informazioni anche in modalità broadcasting, utilizzata per l invio di trame a tutte le stazioni attestate sul bus, e multicasting per l invio di dati ad un gruppo di stazioni. Protocollo di accesso al bus, comune alle tre versioni Profibus Profibus: Tecnologie Trasmissive Il protocollo Profibus, al fine di soddisfare diverse esigenze, in termini di velocità di trasmissione, distanza raggiungibile, sicurezza e possibilità di alimentazione lungo il bus, supportare diverse soluzioni tecnologiche: - Trasmissione RS-485 per DP/FMS; - Trasmissione con fibre ottiche per DP/FMS. - Trasmissione IEC conforme, per PA; RS-485 È la tecnologia trasmissiva più utilizzata nelle applicazioni Profibus e il suo impiego include tutti quei casi in cui si rende necessaria una trasmissione ad alta velocità implementabile in maniera semplice. Utilizza come mezzo trasmissivo una coppia di conduttori attorcigliati e, se necessario, schermati. Si tratta quindi di una modalità di trasmissione molto economica e adatta a operare anche in ambienti sfavorevoli. La trasmissione del segnale avviene in corrente su tensione differenziale di 5V. Il transceiver di interfaccia viene protetto da eventuali situazioni di accesso simultaneo al segmento. Tutti i dispositivi sono connessi ad una struttura lineare e il medesimo segmento conduttore può ospitare fino a 32 unità. La modalità di connessione di Profibus è half-duplex e cioè ciascuna unità, master o slave, trasmette e riceve sulla Pag. 109

18 A. Flammini stessa coppia di conduttori. Il bus è terminato all inizio ed alla fine di ogni segmento da terminazioni attive. Quando si utilizzano più di 32 stazioni su più segmenti, si ricorre all impiego di ripetitori (amplificatori di linea) per raccordare le varie sottoparti. La tabella mostra le diverse velocità di impiego raggiungibili in funzione della distanza coperta e la tabella seguente elenca le specifiche di un cavo tipo A e di uno tipo B (i cavi di tipo B sono sconsigliati). Bisogna ricordare che Profibus-DP supporta velocità fino a 12 Mbit/s con distanze massime di 100m. Baud rate (kbit/s) 9,6 19,2 93,75 187, Lungh. Cavo tipo A (m) Lungh. Cavo tipo B (m) Relazioni tra prestazioni e lunghezza segmento con RS485 PARAMETRI Cavo tipo A Cavo tipo B Impedenza caratteristica da 135 a 165 Ω f [3 MHz,20 MHz] Da 100 a 130 Ω f> 100 MHz Capacità < 30 pf/m < 60 pf/m Resistenza 110 Ω/Km - Diametro > 0,64 mm > 0,53 mm Area sezione > 0,34 mm 2 > 0,22 mm 2 Caratteristiche dei cavi utilizzabili con RS485 in Profibus Anche se, come RS-485, Profibus non specifica circa il connettore da utilizzare, ma si limita a descrivere i poli da usare, è tradizionale l impiego di connettori 9-pin S sub la cui piedinatura è riportata in tabella. N pin Nome segnale Significato 1* SHIELD Protezione EMC 2* M24V Tensione di uscita 24V 3 RxD/TxD-P Ricezione/trasmissione dati 4* CNTR-P Segnale di controllo per ripetitori 5 DGND Massa di Vp 6** VP Tensione positiva +5V 7* P24V Tensione di uscita + 24V 8 RxD/TxD-N Ricezione/trasmissione dati 9* CNTR-N Segnale di controllo per ripetitori *) segnali opzionali **) segnale necessario solo per le stazioni di fine bus Il segnale è individuato da una tensione differenziale tra i due conduttori e la codifica è del tipo Non Return to Zero (NRZ). In particolare il simbolo 1 è rappresentato da una tensione differenziale positiva tra il pin 3 (RxD/TxD-P) ed il pin 8 (RxD/TxD-N) del connettore al bus, il simbolo 0 da un tensione differenziale negativa. (Ck) Dato Pag. 110

19 Sistemi Logico Programmabili Cap. 3 Trattandosi di trasmissione asincrona, il clock non viene trasmesso e i messaggi vengono inviati a byte, preceduti dal bit di start ( 0 ) e seguiti da parità e stop ( 1 ) (efficienza pari a 8/11). Start Start Parità Stop Indipendentemente dal numero di utenti connessi la linea deve essere terminata ai due estremi secondo quanto riportato in figura. Schema di collegamento e terminazioni di un bus con RS485 FIBRA OTTICA L impiego di conduttori a fibra ottica può essere utile in ambienti ad alta interferenza elettromagnetica oppure per aumentare la distanza massima raggiungibile o la velocità massima impiegabile. Il segnale digitale pilota un diodo emettitore di luce affacciato alla fibra ottica. All altra estremità un dispositivo fotosensibile trasforma gli impulsi luminosi in impulsi elettrici. Ulteriori vantaggi in questo tipo di supporto riguardano la leggerezza, la resistenza meccanica, la larghezza di banda e quindi la velocità di trasmissione, che risulta inversamente proporzionale alla lunghezza del collegamento e non al suo quadrato, come nei conduttori metallici. In particolare possono essere utilizzati due tipi di conduttori: Un cavo economico di accoppiamento in fibra ottica di plastica per interno in applicazioni di ridotte estensioni (distanze inferiori ai 50 m.). Un cavo LWL (dal tedesco Lichtwellenleiter che significa conduttore di onde luminose ) in fibra in vetro per interno ed esterno con distanze inferiori al chilometro. Molti costruttori realizzano connettori speciali che integrano convertitori da fibra ottica a RS-485 e viceversa, e ciò semplifica l impiego di questa tecnologia. IEC Lo standard IEC risponde alle esigenze dell industria chimica e petrolchimica che richiedono comunicazioni intrinsecamente sicure; si tratta di un protocollo basato sulla codifica dei bit per mezzo di segnali di corrente ed è spesso individuato con la sigla H1. La trasmissione è basata sui seguenti principi: - ogni segmento ha una sola fonte di alimentazione, l unità di alimentazione - non si riversa potenza sul bus quando una stazione invia dati Pag. 111

20 A. Flammini - ogni dispositivo consuma una corrente di base (tipicamente 10 ma) nel suo stato di attesa - ogni dispositivo si comporta come un pozzo passivo di corrente - ad entrambi i capi del bus sono presenti terminazioni passive ( RC serie, R= 100Ω, C=1μF ) - sono permesse reti lineari, ad albero o a stella - è possibile aggiungere tratti ridondanti di bus per aumentare l affidabilità. I dispositivi devono essere alimentati con una corrente continua di almeno 10 ma, mentre il segnale trasmesso deve essere caratterizzato da una modulazione di 9 ma sulla componente continua. Il numero massimo di unità collegabili è 32, anche se il numero in realtà è limitato dal tipo di protezione contro le esplosioni scelta. La tabella seguente riassume le caratteristiche dello standard IEC e la figura mostra una tipica configurazione utilizzata nell automazione di processo. Va detto che la connessione di dispositivi alimentati sul bus e di dispositivi alimentati esternamente è possibile se questi ultimi sono dotati di un appropriato isolamento in accordo con lo standard EN Come abbiamo già accennato, a livello fisico Profibus PA si interfaccia con Profibus DP per mezzo di bridge-accoppiatore. Esempio di coesistenza tra protocolli DP e PA Trasmissione dati Digitale, codifica di Manchester, bit sincrono Velocità di trasmissione 31,25 Kbit/s Sicurezza dati Preambolo, delimitatore finale, verifica di errore iniziale Mezzo fisico Coppia di conduttori attorcigliati (se necessario) schermati Alimentazione remota Opzionalmente attraverso la linea dati Protezione alle esplosioni Possibili operazioni in condizioni di sicurezza intrinseca e non Topologia Lineare, ad albero o miste Numero stazioni 32 stazioni per segmento, max 126 con ripetitori Ripetitori Massimo 4 ripetitori Caratteristiche relative alla tecnologia trasmissiva basata sullo standard IEC Profibus-DP (Device Peripheral) Pag. 112

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