Reti di comunicazione industriali

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1 Reti di comunicazione industriali S. Vitturi IEIIT-CNR Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università di Padova Via Gradenigo 6/B Padova s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

2 Programma delle Lezioni Lezione di Lunedì 17 Febbraio Alcuni cenni sui controllori logici programmabili (PLC) Sistemi di comunicazione usati in ambienti industriali; Cenni sull architettura delle reti di comunicazione; Modello di riferimento ISO/OSI; Alcuni esempi di reti di comunicazione di campo: - DeviceNet; - Controller Area Network (CAN); - WorldFIP; Reti di comunicazione di campo specifiche per il collegamento di azionamenti elettrici: - La rete Sercos La rete di comunicazione di campo Profibus: - Descrizione; - Profibus FMS; - Profibus PA. Lezione di Lunedì 24 Febbraio La rete di comunicazione di campo Profibus DP: - Funzionamento; - Descrizione dei messaggi di Parametrizzazione, Configurazione e Diagnostica; - Tempi di risposta di reti Profibus DP; - Funzioni DP estese; - ASIC per la realizzazione di dispositivi conformi allo standard. - Profilo di Profibus DP per il collegamento di azionamenti elettrici Prove pratiche su Profibus DP - Configurazione di una rete di prova - Collegamento di un inverter alla rete di prova; - Start-up della rete di prova; - Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e slave; - Variazione del riferimento di velocità dell inverter tramite la rete - Acquisizione dei parametri di funzionamento dell inverter - Esempi di lettura dei messaggi diagnostici degli slave. s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

3 CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI (PLC) Dispositivi a microprocessore progettati in hardware e software per l automazione di impianto. Essi comprendono: Struttura hardware Software Sistemi di interfaccia operatore s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

4 STRUTTURA HARDWARE CPU, Processori di Comunicazione Sezione di ingresso\uscita Interfaccia con altri dispositivi s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

5 Interfaccia Seriale Memoria Unità Centrale Alimentatore Interfacce verso reti di comunicazione Schede di ingresso/uscita Interfaccia verso I/O distribuiti Guida profilata Schede di uscita digitali Schede di ingresso digitali Interfaccia I/O distribuiti Guida profilata Schede di ingresso analogiche Schede di uscita analogiche Schede speciali Interfaccia I/O distribuiti Guida profilata Figura 1: Esempio di struttura hardware di un controllore programmabile s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

6 SOFTWARE Sistema di sviluppo Supporto fisico Linguaggi di programmazione s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

7 LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE Schema a contatti Schema funzionale Lista di istruzioni Linguaggi di alto livello s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

8 Linguaggio a contatti Sequential Flow Chart E 5.1 E 5.2 A 1.0 E 5.3 Schema funzionale S1 T1 T6 S2 T2 Transizione Step Rami simultanei Rami alternativi E 5.1 & E 5.2 > = 1 E 5.3 A 1.0 S3 T3 S4 S7 T7 S8 T9 S10 T4 T8 T10 S5 S9 Lista di istruzioni T5 U E 5.1 U E 5.2 ON E 5.3 = A 1.0 T6 S6 S2 Salto Figura 2: Linguaggi di programmazione di un controllore programmabile s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

9 FUNZIONAMENTO DI UN PLC Acquisizione degli ingressi Elaborazione del programma utente Comando delle uscite E UN FUNZIONAMENTO CICLICO s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

10 Descrizione di un impianto dal punto di vista CIM Altri Impianti Magazzino Scorte Rete di Impianto Controllore di cella Controllore di cella Controllore di dispositivo Controllore di dispositivo Controllore di dispositivo attuatore sensore sensore attuatore sensore attuatore sensore sensore sensore Dispositivo Dispositivo Dispositivo Cella Cella s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

11 Uso di reti di comunicazione industriali in ambito CIM Altri Impianti Magazzino Scorte Intranet Rete di comunicazione di campo Controllore di cella Bridge Rete di comunicazione di campo Bridge Controllore di cella Controllore di dispositivo Rete di comunicazione di campo Repeater Controllore di dispositivo Controllore di dispositivo Rete di comunicazione di campo attuatore attuatore sensore sensore sensore sensore Dispositivo sensore Dispositivo sensore Dispositivo sensore Cella Cella s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

12 Reti di comunicazione industriali Reti per la trasmissione di dati ai vari livelli dei sistemi di automazione industriali Nel corso degli anni molte sono state le soluzioni adottate: Internet/Intranet Wide Area Networks, WAN Local Area Networks, LAN Reti MAP Reti di comunicazione di campo, fieldbus s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

13 Reti di Comunicazione di Campo Caratteristiche fisiche simili alle LAN I protocolli adottati possono essere anche molto diversi Sostituiscono i collegamenti punto-punto tra controllore di dispositivo e sensori/attuatori Sostituiscono i collegamenti tra controllori di dispositivo e controllore di cella s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

14 Vantaggi derivanti dall uso di una rete di comunicazione di campo Possibilità di uso a livello cella e dispositivo Riduzione dei cablaggi Uso di tecniche di trasmissione digitali Possibilità di diagnosi e calibrazione remota Aggiunta di nuovi nodi molto semplice Ogni grandezza può essere resa accessibile a ogni nodo della rete senza cablaggi addizionali s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

15 Prestazioni richieste a una rete di comunicazione di campo Scambio di dati ciclico Traffico urgente aciclico Messaggistica di alto livello s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

16 Scambio di dati ciclico Avviene a livello di dispositivo Operazione di polling su sensori/attuatori collegati al controllore Deve essere una prestazione implicita s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

17 Traffico urgente aciclico Avviene a livello di dispositivo e talvolta a livello di cella Prestazione necessaria per notificare situazioni di allarme nel più breve tempo possibile Richiede la trasmissione di piccole quantità di dati Deve essere previsto un tempo limite per l esecuzione di questa funzione

18 Messaggistica di alto livello Realizza la comunicazione a livello di cella Permette il trasferimento di elevate quantità di dati con caratteristiche temporali non stringenti Operazioni tipiche sono lettura/scrittura di variabili, uploading/downloading di aree di memoria s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

19 Modello di riferimento ISO/OSI /1 ISO (International Standard Organization) ha emanato nel 1984 il modello di riferimento per Open System Interconnection (OSI) Lo standard che porta la sigla ISO 7498 fornisce una struttura che permette lo sviluppo di sistemi di comunicazione in grado di garantire l interoperabilità tra prodotti di costruttori diversi s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

20 Modello di riferimento ISO/OSI / Application layer Presentation layer Session layer Transport layer Network layer Data Link layer Physical layer s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

21 Tipico Profilo di Comunicazione di una rete di di campo User task # n User task # m User task # k User task # 1 Cyclic Data Exchange and Asynchronous Traffic (These functions do not use layer 7 protocols) Layer 7: Application Messaging Service Layers 3 to 6 usua lly e mp ty Layers 3 to 6 usually empty Layer 2: Data Link Layer 1: Physical s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

22 Situazione normativa Standard Europeo EN50170 Standard Europeo EN50254 Standard Europeo EN50295 Standard Europeo EN50325 Standard Internazionale IEC Standard Internazionale IEC Standard Internazionale IEC s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

23 Principali standard e prodotti di mercato IEC CENELEC MARKET IS Type 1 EN50170 part 4 Foundation Fieldbus H1 IS Type 2 EN50170 part 5 ControlNet IS Type 3 EN50170 part 2 Profibus IS Type 4 EN50170 part 1 P-Net IS Type Foundation Fieldbus HSE IS Type SwiftNet IS Type 7 EN50170 part 3 WorldFIP IS Type 8 EN50254 part 2 Interbus IS Type 3 EN50254 part 3 Profibus DP IS Type 7 EN50254 part 4 WorldFIP profile 1 IS EN50295 part 2 Actuator Sensor - interface IS EN50325 part 2 DeviceNet IS EN50295 part 3 Smart Distributed System ADIS Seriplex s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

24 Standard Internazionale IEC61784 Communication Profile Families CPF-1 (Fielbus Foundation) CPF-2 (ControlNet) CPF-3 (PROFIBUS) CPF-4 (P-NET) CPF-5 (WorldFIP) CPF-6 (INTERBUS) CPF-7 (SwiftNet) Communication Profiles CPF-1/1 - H1 CPF-1/2 - HSE CPF-2/1 - ControlNet CPF-2/2 - EtherNet/IP CPF-3/1 PROFIBUS (asincrono) CPF-3/2 PROFIBUS (sincrono) CPF-3/3 - PROFINet ( New ) CPF-4/1 - P-NET RS485 CPF-4/2 - P-NET RS232 CPF-5/1 - WorldFIP CPF-5/2 - WorldFIP CPF-5/3 - WorldFIP CPF-6/1 - INTERBUS CPF-6/2 - INTERBUS TCP/IP ( New ) CPF-6/3 - ritaglio di CPF-6/1 ( New ) CPF-7/1 - SwiftNet Transport CPF-7/2 - SwiftNet Full Stack s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

25 DeviceNet Physical layer e data link layer sono basati sullo standard Controller Area Network, CAN (ISO 11898) DeviceNet è un protocollo del livello applicazione di CAN Utilizzato in numerosi settori: Alimentare Impianti di distribuzione dell energia elettrica Impianti chimici s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

26 DeviceNet: Profilo di comunicazione User App licatio ns ISO/OSI Model A p p licatio n DeviceNet Protocol Specification Layers 3 to 6 empty Data Link Physical Logica l Link C o ntro l LLC Medium Access Control MAC Physical Layer Signalling Co n tro lle r Area Network (CA N ) Protocol Specification DeviceNet s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

27 Campo di applicazione di DeviceNet Altri Impianti Magazzino Scorte Rete di Impianto Rete di campo Controllore di cella Bridge Rete di campo Bridge Controllore di cella Controllore di dispositivo Rete di campo Controllore di dispositivo Rete di campo Controllore di dispositivo Rete di campo attuatore sensore sensore attuatore sensore sensore sensore sensore sensore Dispositivo Cella Dispositivo Dispositivo Cella s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

28 Caratteristiche di CAN Semplice ed economico Ampia disponibilità di componenti e strumenti di sviluppo Molto diffuso: decine di milioni di nodi CAN attualmente installati s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

29 CAN: Livello fisico Topologia a bus condiviso Usa un semplice doppino intrecciato Estensione fino a 1 Km (a 50 Kbps) Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s (massima estensione in questo caso 50 m) Interfaccia simile ai circuiti a collettore aperto: livello sul bus dominante o recessivo s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

30 Medium Access Control Rete multimaster ad accesso casuale (CSMA) simile a Ethernet Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo fisico Sulla rete vengono scambiati frame secondo il principio produttore/consumatore I frame sono individuati univocamente da un identificatore s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

31 Collisioni Due o più frame trasmessi contemporaneamente causano una collisione Essa viene risolta in base alla priorità dei frame Fase di arbitraggio non distruttiva per risolvere le contese sul bus Comportamento deterministico e prevedibile s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

32 Fase di arbitraggio BUS A B C A B C A perde BUS B perde C trasmette s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

33 Data Frame S O F IDENTIFIER R T R CONTROL CONTROL DATA DATA CRC CRC ACK ACK EOF EOF umero di bit Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

34 DeviceNet: Physical layer Ammette tre delle possibili velocità di trasmissione di CAN: 125, 250 e 500 kbit/s Distanze coperte: 500, 250 e 100 metri rispettivamente Massimo numero di stazioni presenti sulla rete: 64 s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

35 DeviceNet: Application layer Basato sul concetto di oggetti di comunicazione Ogni stazione connessa alla rete è vista come un insieme di oggetti DeviceNet introduce le seguenti definizioni: Class: insieme di oggetti dello stesso tipo Instance: effettiva occorrenza di un oggetto Attribute: caratteristiche dell oggetto Behaviour: comportamento dell oggetto Service: funzioni (di comunicazione) dell oggetto s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

36 Connessioni DeviceNet stabilisce che qualsiasi comunicazione avvenga tramite connessioni stabilite in precedenza Una connessione è un canale di comunicazione virtuale tra due o più nodi DeviceNet definisce due tipi di connessioni: I/O connections: usate per trasferire dati in tempo reale Explicit messaging connections: usate per trasferire dati di bassa priorità in tempi non critici s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

37 Predefined Master Slave Connection Set La procedura per stabilire una connessione può essere complicata Il predefined master slave connection set permette di stabilire facilmente delle connessioni particolarmente adatte allo scambio dati in modalità master-slave In pratica il master deve inviare solamente due messaggi per stabilire la connessione s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

38 Modalità di comunicazione master slave Con il predefined master slave connection set lo scambio dati può avvenire in quattro diverse modalità: Bit strobe command/response messages Poll command/response messages Change of state/cyclic messages Explicit response/request messages s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

39 FIP: Factory Instrumentation Protocol Nasce verso la fine degli anni 80 come standard nazionale francese Nel 1992, con l adesione di Honeywell, Allen&Bradley, SquareD, viene denominato WorldFIP Tipica architettura a tre livelli Campi comuni di utilizzo: Produzione di energia Industria automobilistica Building Automation Controllo di Processo s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

40 WorldFIP: Profilo di comunicazione ISO/ OS I Model User A pplication s User Applications Application M an ufact urin g P eriodic/aperiodic Services (MPS) Subset of M anufacturing Message Specification (SubM M S) Layers 3 to 6 empty Data Link P eriodic/aperiodic Services Messaging Services Physical Physical Layer WorldFIP s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

41 Campo di applicazione di WorldFIP Altri Impianti Magazzino Scorte Rete di Impianto Rete di campo Controllore di cella Bridge Rete di campo Bridge Controllore di cella Controllore di dispositivo Rete di campo Controllore di dispositivo Rete di campo Controllore di dispositivo Rete di campo attuatore sensore sensore attuatore sensore sensore sensore sensore sensore Dispositivo Cella Dispositivo Dispositivo Cella s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

42 WorldFIP: Physical Layer Doppino schermato o fibra ottica Velocità di trasmissione: kbit/s, 1 Mbit/s, 2.5 Mbit/s, 5 Mbit/s Topologia a segmenti Massima lunghezza segmento: 1900 m Massimo numero segmenti: 5 Massima lunghezza totale: 9500 m Numero massimo di stazioni: 128 s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

43 WorldFIP: Data link layer/1 Fornisce i seguenti servizi: Scambio di variabili identificate Trasferimento di messaggi Tali servizi possono essere: Ciclici (solo scambio di variabili) Aciclici s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

44 WorldFIP: Data link layer /2 Definisce un insieme di variabili identificate che possono essere prodotte o consumate Per ogni variabile definita esistono: un nodo produttore uno o più nodi consumatori Mette a disposizione i servizi per il trasferimento dei messaggi s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

45 Arbitro del bus Richiede la trasmissione delle variabili con periodicità stabilite in fase di configurazione In ogni istante sul bus deve essere presente uno e uno solo arbitro Necessità di ridondanza s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

46 WorldFIP: Esempio di funzionamento Scanning Table Va ria ble Pe rio dicity (ms) Ty pe Time (us) A 10 IN T_ B 20 UN S_ C 30 IN T_8 170 Elementary cycle 10 ms Time A B C A A B A C A B A A B C A A B A C A B A M acrocycle Time available for aperiodic traffic s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

47 Traffico aciclico Variabili Un nodo produttore può richiedere la trasmissione di variabili Messaggi Un nodo produttore può richiedere il diritto di trasmettere messaggi ad altri nodi s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

48 Scambio di Variabili Durante la fase ciclica il produttore di una variabile comunica all arbitro del bus di avere delle richieste di scambio aciclico di variabili Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l arbitro chiede alla stazione la lista delle variabili da produrre aciclicamente Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l arbitro esegue le richieste di produzione delle variabili specificate in precedenza s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

49 Scambio di Messaggi Durante la fase ciclica il produttore di una variabile comunica all arbitro del bus di avere delle richieste di scambio di messaggi Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l arbitro fornisce alla stazione che ne ha fatto richiesta il diritto di inviare messaggi La stazione che ne ha fatto richiesta invia i messaggi alle destinazioni La stazione restituisce all arbitro il diritto di trasmettere s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

50 WorldFIP: Application Layer Costituito da due componenti MPS (Manufacturing periodical\aperiodical services) SubMMS MPS fornisce servizi del tipo: Gestione dell integrità e della consistenza delle variabili consumate lettura\scrittura di variabili locali o remote s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

51 SubMMS Fornisce un subset dei servizi previsti dallo standard ISO MMS, fra i quali: Gestione degli allarmi Monitoraggio delle variabili Gestione dei messaggi Upload\Download di programmi s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

52 SERCOS SErial Real-time Communication System Standard IEC 61491

53 SERCOS Sistema di comunicazione digitale progettato per il collegamento tra controllore e drives Utilizzato esclusivamente per azionamenti elettrici La norma standardizza molti dei parametri che possono essere scambiati e permette l introduzione di altri definibili dall utente s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

54 Configurazione tipica di SERCOS Controllore (Master) Slave #1 Drive Slave #1 Drive Slave #1 Drive s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

55 Livello Fisico La configurazione tipica di SERCOS consiste in una topologia ad anello in fibra ottica Una stazione ha funzioni master, le altre sono slave Il numero di slave dipende dalla velocità di trasmissione, dalla quantità di dati trasmessi e dal tempo di ciclo richiesto Distanza massima tra stazioni: 60 m con fibra di plastica; 250 m con fibra di vetro Velocità di trasmissione: fino a 4 Mbit/s Tempi di ciclo selezionabili tra: ms; ms; 0.25 ms e multipli di 0.25 ms s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

56 Funzionamento Due fasi: Inizializzazione Scambio dati ciclico Inizializzazione: Configurazione del sistema Assegnazione dei time-slot agli slave Scambio dati ciclico: Master Sync Telegram (MST) Drive Telegram (AT) Master Data Telegram (MDT) s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

57 Master Sync Telegram Inviato dal master contemporaneamente a tutti gli slave all inizio di ogni ciclo Costituisce il trigger di inizio ciclo Comprende un solo byte che riporta lo stato della rete s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

58 Drive Telegram Inviato da ogni slave al master L istante in cui il messaggio viene spedito è specificato in base al time-slot ricevuto nella fase di inizializzazione Contiene 4 byte di stato e un numero variabile di byte di dati s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

59 Master Data Telegram Inviato dal master a tutti gli slave dopo la ricezione dei Drive Telegram L istante in cui il messaggio vine spedito è specificato nella fase di inizializzazione E costituito da 4 byte di stato e, per ogni slave, da un data record contenente i dati da inviare Inizio e lunghezza del data record sono specificati in ogni slave durante la fase di inizializzazione s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

60 Esempi di Dati Ciclici Scambiati Dal master agli slave: Riferimento di coppia Riferimento di velocità Riferimento di posizione Dagli slave al master: Valore di feedback di coppia Valore di feedback di velocità Valore di feedback di posizione s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

61 Dati Aciclici SERCOS permette anche lo scambio di dati aciclici Per svolgere tale funzione sono a disposizione 2 dei 4 byte di stato nei messaggi MDT e AT Il trasferimento può aver luogo sempre e soltanto su iniziativa del master Possono essere trasferiti solo dati predefiniti s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

62 PROFIBUS: un po di storia Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco: norma DIN parti 1 e 2 Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3: Profibus DP Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma DIN 19245: Profibus PA Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo EN50170, successivamente anche PA entra in EN50170, mentre DP viene inglobato in EN Nel 1999 entra a far parte dello standard internazionale IEC61158 s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

63 PROFIBUS: Normativa Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco: norma DIN parti 1 e 2 Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3: Profibus DP Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma DIN 19245: Profibus PA Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo EN50170

64 Profibus e modello ISO/OSI application layer application layer: FMS presentation layer session layer transport layer livelli 3-6 vuoti network layer data link layer physical layer Modello ISO/OSI data link layer: FDL physical layer: RS 485 Profibus

65 Physical Layer Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485 Topologia a bus a più segmenti collegati da repeater: sono collegabili massimo 32 stazioni per segmento e 127 stazioni in totale Mezzo trasmissivo: doppino (eventualmente) schermato fibra ottica disponibile in alternativa

66 Physical Layer Velocità di trasmissione da 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 essere presenti al massimo 3 repeater e quindi la distanza massima è 4800 m

67 PROFIBUS - Transmission Line Length RS 485 Baudrate in kbit/s Line Length in m (Cable Type A)

68 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

69 Features of the PROFIBUS Data Link Layer (FDL) Master or Slave stations may be added or removed at any point of time. The FDL will automatically reconfigure the logical token ring. The Token Passing procedure ensures that each Master will have enough time to fulfill its communication tasks. Therefore, the user has to calculate the overall Target Token Rotation Time (TTR). The Bus Access Protocol is able to detect defective stations, lost Token, double Token, transmission errors and all other possible network failures.

70 Principle of the Token Passing Procedure In Multi Master Networks the Token Passing procedure must ensure that each master has enough time to fulfill it s communication tasks. The user therefore configures the overall Target Token Rotation Time (TTR) taking into account the communication tasks of all masters. Each Master calculates the available amount of time for its communication tasks at token receipt according to the following rule: TTH = TTR - TRR TTH = Token Hold Time TTR = Target Token Rotation Time TRR = Real Token Rotation Time

71 Servizi FDL Send data with acknowledge, SDA Send and request data with reply, SRD Send data with no acknowledge, SDN Cyclic send and request data with reply, CSRD

72 FDL Stazione X (SAP n) FDL Stazione Y (SAP m) FDL_DATA_ACK.request FDL_DATA_ACK.indication FDL_DATA_ACK.confirm Servizio SDA

73 Service Access Point (SAP) Usati assieme all indirizzo fisico di rete per identificare univocamente le entità che richiedono/ricevono servizi Presenti in tutti i livelli del modello di riferimento OSI

74 FDL Stazione X (SAP n) FDL Stazione Y (SAP m) FDL_DATA_UPDATE.request FDL_DATA_REPLY.request FDL_DATA_UPDATE.confirm FDL_DATA_REPLY.indication FDL_DATA_REPLY.confirm Servizio SRD

75 Structure of important PROFIBUS Telegrams Legenda: Token Message SD4 DA SA FDL Status Request Telegram SD1 DA SA FC FCS ED Data Telegram DA = Destination Address DU = Data Unit DSAP = Destination Service Access Point ED = End Delimiter FC = Function Code FCS = Frame Check Sequence LE = Length LEr = Repeated Length SA = Source Address SD2 = Start Delimiter 2 SD4 = Start Delimiter 4 SSAP = Source Service Access Point SD2 LE LEr SD DA SA FC DSAP SSAP DU FCS ED

76 FDL State Diagram PON Claim Tok 3 Off 0 Li To 1 A Idle 2 Use Token 4 P Idle 10 Ch To 8 Await 5 Check 6 Aw St 9 Pass Token 7 0: Offline 1: Listen Token 2: Active Idle 3: Claim Token 4: Use Token 5: Await Data Response 6: Check Access Time 7: Pass Token 8: Check Token Pass 9: Await Status Response 10: Passive Idle

77 CSRD E il servizio di Profibus che permette lo scambio di dati ciclico Una stazione master in possesso del token può comunicare al proprio controllore FDL la polling list Successivamente, ogni volta che la stazione riceve il token, automaticamente il controllore FDL invia dati ai nodi della polling list e riceve i dati da questi

78 Application Layer: FMS Deriva dallo standard internazionale MMS (ISO ) FMS 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

79 PROFIBUS - FMS Protocol Architecture Application 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

80 Esempi di oggetti di comunicazione Variabili Eventi Dizionario degli oggetti Domain Program Invocation

81 Servizi FMS I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti; pertanto a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di servizi. Tra i più importanti vi sono: Servizi di gestione del dizionario degli oggetti Servizi di accesso alle variabili Servizi di gestione degli eventi Servizi di gestione domain e program invocation

82 Gestione Dizionario degli Oggetti Mantiene la descrizione degli oggetti presenti nel VFD Gli oggetti sono identificati da un indice numerico e opzionalmente da una stringa I servizi messi a disposizione da FMS permettono di: Leggere le caratteristiche di un oggetto Inserire un nuovo oggetto nel dizionario

83 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

84 Gestione degli Eventi Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti quali allarmi Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica

85 Gestione Domain e Program Invocation Un oggetto di tipo domain descrive un area di memoria contenente dati o programmi Un oggetto di tipo program invocation è un insieme di domain che costituiscono un programma eseguibile I servizi relativi ai domain sono: Downloading Uploading

86 Servizi relativi alle Program Invocation Creazione Cancellazione Avvio Arresto Ripartenza Reset

87 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 s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

88 Profibus PA Progettato per collegare controllori a strumentazione di processo anche in ambienti a sicurezza intrinseca Physical layer conforme a IEC Data link layer: FDL Sfrutta le funzioni estese di Profibus DP s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

89 Profibus PA e modello ISO/OSI Profili Profibus PA Profibus DP esteso livelli da 3 a 7 VUOTI data link layer: FDL physical layer: IEC Anche in questo caso sono assenti funzioni di livello 7 Profibus PA si basa sul concetto di Profilo che consente di caratterizzare completamente i tipi di dispositivo collegabili Profibus PA s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio

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