8. Smart sensors e bus a livello di campo

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1 A. Flammini 8. Smart sensors e bus a livello di campo 8.1 Sensori tradizionali e sensori smart L informazione rilevata dal sensore non è fine a se stessa, ma deve essere trasmessa a uno o più utilizzatori, tra i quali sistemi automatici, quali ad esempio PLC o SCADA, e operatori, quali addetti alla supervisione di un processo industriale o semplici consumatori, come nel caso di una qualsiasi persona che osserva la temperatura di casa per impostare il termostato. In quest ultimo caso, per rendere l informazione fruibile dall operatore, si ricorre in genere ad un decodificatore e ad un visore, mentre nel primo caso l informazione viene trasmessa secondo codifiche e modalità volte a ottimizzare i costi, il rateo d informazione (quantità di informazione per unità di tempo, in inglese information rate) e a minimizzare la possibilità di errore. Dato che tradizionalmente molti sensori sono stati provvisti di elettronica analogica per la formazione e l elaborazione del segnale, la trasmissione dell informazione avviene su cavo, tipicamente in rame, in tensione o in corrente, secondo livelli abituali (0-5V, 4-20mA, ). La trasmissione dell informazione richiede quindi due conduttori: segnale e massa nel caso della trasmissione in tensione, andata e ritorno nel caso di trasmissione in corrente. La trasmissione in corrente, detta anche trasmissione bilanciata, viene in genere preferita a quella in tensione grazie alla migliore immunità al rumore elettromagnetico. Dato che i sistemi automatici a più alto livello, così come gli operatori, trattano l informazione in modo numerico, i sistemi analogici di trasmissione dell informazione richiedono un sistema di acquisizione a livello di utilizzatore che in genere è costituito da un sistema di conversione Analogico-Digitale, il cui costo dipende dalla risoluzione richiesta. Come si è visto molti PLC dispongono di ingressi e uscite analogiche, spesso isolati, tuttavia il costo per punto è decisamente superiore (più di un ordine di grandezza) rispetto ai punti di I/O digitale. Nel caso di sensori tradizionali si ricorre spesso all uso di concentratori che acquisiscono i segnali analogici, li condizionano opportunamente (Cond.), li convogliano in sequenza su un unico convertitore Analogico- Digitale (A/D), grazie ad un multiplexer (MUX), quindi trasmettono l informazione complessiva in forma analogica o numerica, come indicato in figura 1. In questo caso, anche ipotizzando una trasmissione analogica, è possibile utilizzare solo un punto di ingresso nel PLC, insieme a più uscite digitali che, come si è detto, sono decisamente più economici. Il principale vantaggio nell uso di tali concentratori rispetto alla connessione punto-a-punto tra sensore e utilizzatore consiste nel fatto che il concentratore può essere posto in prossimità dei sensori, con una notevole riduzione dei cablaggi e, conseguentemente, dei costi associati. Pag. 144

2 Sistemi per l automazione e PLC Sensore Sensore Sensore Sensore Trasmissione analogica Cond. Cond. Cond. Cond. MUX Comandi da PLC A/D Trasmissione numerica Trasmissione analogica La modalità di interfacciamento analogica, propria dei sensori di tipo tradizionale, è oggi limitata ai sensori di fascia economica. Infatti, per utilizzare il sensore al meglio delle sue potenzialità, in termini di risoluzione e, più in generale, di accuratezza della misura, spesso è necessario compensare la non-linearità della caratteristica di trasferimento tra misurando e segnale di uscita oppure, ad esempio, compensare la sensibilità verso grandezze di influenza, quale spesso è la temperatura. Tali operazioni non sono semplici da realizzare mediante circuiti elettronici analogici, per cui in genere vengono demandate al sistema utilizzatore, che viene quindi aggravato dall acquisizione e dall elaborazione di ulteriore informazione di supporto e costretto ad una fine conoscenza del sensore, con conseguenti limitazioni in termini di intercambiabilità del sensore stesso. In questi casi risulta vantaggioso dotare il sensore di una propria, anche se limitata, potenza di calcolo. Grazie alla notevole riduzione dei costi dei microcontrollori (semplici processori che integrano a bordo unità di calcolo, memorie e periferiche), oggi disponibili con costi nell ordine di 1, è possibile dotare il sensore di economici e compatti circuiti numerici che consentono l elaborazione locale dell informazione e la trasmissione numerica. I sensori smart, la cui struttura è indicata in figura, sono appunto sensori che sono gestiti da un microcontrollore (µc): forniscono informazione autoconsistente, che non necessita di ulteriore trattamento, e possono trasmettere l informazione in modo numerico. Da qui in avanti si farà sempre riferimento ai sensori di tipo smart, anche se indicati con il termine generico sensori. + - mc Elemento sensibile Elettronica di primo condizionamento Elaborazione Interfaccia numerica La trasmissione numerica è più flessibile, nel senso che può cambiare volume e tipologia di informazione trasmessa, più robusta rispetto al rumore elettromagnetico e, soprattutto, può Pag. 145

3 A. Flammini essere multiutente; è quindi possibile creare una rete dove su un unico cavo sono connessi più sensori e uno o più utilizzatori dell informazione, come rappresentato in figura. rete Sensore Sensore Sensore PLC PC Oltre al notevole vantaggio della riduzione dei cablaggi, la possibilità di connettere in rete più sensori permette un migliore scambio di informazione tra il sensore e il sistema utilizzatore, che va oltre la semplice trasmissione della misura. Infatti è possibile stabilire delle procedure di ricerca, identificazione e configurazione automatica dei sensori. Ovviamente si avrebbero notevoli vantaggi, in termini di intercambiabilità dei sensori e, più in generale, di autoconfigurazione della rete, qualora fosse unica e nota la modalità di trasmissione e di accesso alle informazioni. Purtroppo però ogni costruttore di sistema utilizzatore ha adottato una modalità di trasmissione e accesso alle informazioni proprietaria, per cui, nonostante il lavoro di consorzi ed enti normativi, si è giunti ad un panorama attuale ancora popolato da molte differenti modalità, più o meno diffuse a seconda di diversi fattori, tra i quali motivi commerciali. Per quanto concerne le modalità di organizzazione e accesso alle informazioni del sensore, lo standard IEEE1451, descritto di seguito, ha fornito delle regole che i costruttori di sensori stanno sempre più adottando, almeno nelle principali linee guida, mentre per quanto riguarda la modalità di trasmissione delle informazioni su rete, detta anche bus di campo, vi sono molteplici standard e si è ancora lontani dalla definizione di uno standard unitario, in quanto la normativa esistente (IEC 61158) ne supporta decisamente più di uno. 8.2 Lo standard IEEE1451 per i dispositivi a livello di campo Gli smart sensors, grazie alle proprie caratteristiche si presentano come i candidati ideali per sistemi e applicazioni su rete (networked). Il problema che si incontra nello sviluppo di questa tipologia di sistemi, che fino ad oggi ne ha limitato lo sviluppo, risiede nell enorme numero di architetture di rete e di protocolli esistenti. Risulta naturalmente impossibile, per un costruttore di sensori, poter implementare nei propri prodotti tutte le interfacce esistenti sul mercato e questo viene pagato nel momento in cui si cerca di integrare i propri prodotti in reti multicostruttore o in ambienti hardware eterogenei. Il passaggio da una piattaforma ad un altra è ovviamente oneroso per il costruttore e di conseguenza anche per l utilizzatore finale del prodotto, ma non solo: viene colpita infatti la velocità di diffusione e crescita della tecnologia. In questa situazione caratterizzata dal proliferare di interfacce proprietarie il Committee on Sensor Technology della Instrumentation and Measurement Society dell Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ha iniziato nel 1993 un lavoro di definizione di uno standard Pag. 146

4 Sistemi per l automazione e PLC per gli smart sensor che si devono interfacciare ad una rete. Il risultato di questo sforzo di standardizzazione, condotto anche con la sponsorizzazione di NIST, Agilent e ENDEVCO, ha portato alla definizione della direttiva IEEE Si tratta di uno standard costituito da quattro parti , , e di cui solo due sono state già pubblicate: La prima, pubblicata nel 1999 con il titolo di , IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model, introduce un comune modello software ad oggetti per descrivere uno smart sensor e definire un interfaccia per la connessione di un processore ad una rete di comunicazione, che sia indipendente dalla particolare rete fisica sottostante. La seconda, pubblicata per prima nel 1997 con il titolo di IEEE Standard for a Smart transducer Interface for sensors and Actuators Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats definisce sia un interfaccia hardware digitale ed i protocolli di comunicazione per poter accedere al trasduttore attraverso un microprocessore, sia un formato standard per memorizzare i dati relativi al trasduttore. La si occupa della definizione di un sistema digitale di interfacciamento per la costituzione di un bus per trasduttori. Attualmente questo standard è ancora in fase di sviluppo e non è stato pubblicato. La definisce un sistema misto analogico e digitale per la trasmissione sullo stesso cavo di connessione del trasduttore dell informazione di misura e dei dati relativi alla TEDS. Anche questa parte di standard è in fase di sviluppo. Lo standard propone uno schema di principio per l architettura di una rete di sensori il cui singolo nodo è mostrato in figura: si noti il layout dei componenti dell interfaccia proposta dallo standard per un sensore che deve interfacciarsi ad una rete. Dalla figura si può notare come il processo di standardizzazione voglia spingere i costruttori di sensori ed attuatori verso due distinte problematiche: Pag. 147

5 A. Flammini - la definizione di un interfaccia digitale standard tra un trasduttore ed un microprocessore con la che accoglie al suo interno tutti i dispositivi necessari per connettersi ad un trasduttore, come per esempio convertitori analogico digitali, unitamente alla memoria che accoglie le informazioni sul trasduttore e alla logica di controllo - la standardizzazione delle applicazioni che si occupano della comunicazione con una rete. Infatti nella viene fornita la descrizione di un interfaccia astratta che sarà poi concretamente convertita in una API (Application Programming Interface) nel momento in cui uno sviluppatore implementerà il modello descritto dallo standard IEEE Lo standard risulta centrato attorno alla definizione di quello che nel documento viene definito un Network Capable Application Processors (NCAP). Un NCAP costituisce la definizione a oggetti di un sensore, inclusa la specifica dell interfaccia software tra le funzioni dell applicazione ed una rete di comunicazione. Il tipo di rete non è specificato nello standard che si può quindi definire network independent. La definizione e la specifica completa del NCAP costituiscono ciò che viene definito l Information Model che è la base della direttiva e altri non è che un architettura software. Questa architettura può essere applicata a sistemi distribuiti costituiti da uno o più NCAPs comunicanti tramite una rete. L architettura software proposta dallo standard è definita attraverso tre tipi di modelli: Un modello a oggetti per i componenti software Un modello di dati per le informazioni scambiate attraverso le interfacce specificate dal modello a oggetti Due modelli di comunicazione di rete Il modello complessivo che ne risulta è sufficientemente generale per poter comprendere una grande varietà di servizi applicativi di un networked sensor, infatti la definizione di un NCAP deve comprendere un insieme di classi di oggetti, attributi, metodi e comportamenti che forniscono una descrizione concisa del sensore e della rete alla quale può essere connesso. Il modello a oggetti Gli aspetti dell Information Model che vengono rappresentati tramite oggetti costituiscono ciò che all interno dello standard è chiamato Smart Transducer Object Model. Esso specifica, attraverso la definizione di una gerarchia di classi, i blocchi costituenti il software del sistema applicativo che si occupano delle comunicazioni all interno di un NCAP e tra diversi NCAP. Vengono dunque descritte le classi che definiscono informazioni strutturate, per esempio, file di misurazioni, le comunicazioni tra oggetti di NCAP distinti, la sincronizzazione del sistema e la possibilità, per l implementazione dello standard, di inserire, rispettando comunque un certo numero di vincoli, degli oggetti non specificati nella direttiva. Particolare attenzione meritano le classi chiamate Block che costituiscono la parte principale dell Information Model definendo l interfaccia astratta verso il trasduttore e verso la rete di comunicazione. Tra queste troviamo la classe NCAP che sfrutta un modello di comunicazione centrato attorno al concetto di porta : questo significa che se un oggetto vuole Pag. 148

6 Sistemi per l automazione e PLC comunicare con un altro interno al dispositivo o attraverso la rete, deve creare una porta logicamente legata all oggetto. L interazione tra l applicazione e la rete avviene utilizzando il paradigma Remote Procedure Call (RPT) presente in tutti i sistemi client-server. Una volta creato il collegamento logico tra oggetto e porta, a quest ultima viene assegnato un indirizzo specifico della rete fisica. Altre classi di questo gruppo sono la classe Transducer, che procura le interfacce software tra l applicazione ed i sensori di un NCAP fornendo la possibilità di plug-and-play dei dispositivi anche di diversi costruttori, e la classe Function che incapsula funzionalità di una specifica applicazione e fornisce numerose liste di parametri che tipicamente vengono utilizzati per accedere ai dati visibili in rete rendendo le informazioni interne disponibili per un accesso remoto. Il modello di dati Il modello di dati dell IEEE specifica, nelle comunicazioni locali e remote, sia il tipo che la forma delle informazioni che vengono scambiate attraverso l interfaccia. Il modello specifica sia i dati primitivi (booleani, stringhe, interi, floating point) che i dati strutturati per rappresentare il tempo, i valori di quantità fisiche, le unità di misura e per fornire informazioni sugli oggetti. Modelli di rete Lo standard fornisce due modelli di comunicazione di rete tra gli oggetti di un sistema IEEE Un modello client-server point-to-point per comunicazioni uno a uno Un modello publish-subscribe per comunicazioni uno a molti e molti a molti I modelli di comunicazione definiscono la sintassi e la semantica delle interfacce software tra gli oggetti di un applicazione e una rete. Lo standard non specifica alcun protocollo di trasferimento delle informazioni, per cui chi fornisce il software di rete deve fornire anche librerie di codice che contengano routines in grado di adattare le chiamate alle operazioni di comunicazione dello standard alla rete fisica effettivamente utilizzata IEEE Lo standard definisce un interfaccia digitale standardizzata chiamata Transducer Independent Interface (TII) ed un protocollo di comunicazione al fine di risolvere i problemi di interfacciamento negli schemi a connessione multipla con differenti bus e microprocessori. Oltre a questo vengono definiti: un modulo di interfaccia verso il trasduttore, cui si fa riferimento con il termine STIM (Smart Transducer Interface Module) il datasheet elettronico del dispositivo, denominato TEDS (Transducer Electronic DataSheet) ed il suo formato. STIM Lo STIM consiste di un insieme di trasduttori, di una sezione di elettronica di condizionamento del segnale e della sua conversione dalla forma analogica verso quella digitale, di una TEDS e dei circuiti logici necessari per implementare l interfaccia digitale attraverso la quale avvengono Pag. 149

7 A. Flammini le comunicazioni con un NCAP (1451.1). Da sottolineare che con il termine trasduttore si intende indifferentemente sia un sensore che un attuatore. Un singolo STIM può supportare fino a 255 trasduttori, chiamati, all interno dello standard, con il termine canali. Il funzionamento dello STIM si può assimilare a quello di una macchina a stati comandata da eventi esterni che nel caso dello standard sono quelli della TII. In particolare lo STIM si può trovare in uno solo degli stati di attesa, di trasmissione dati o di triggered. Quest ultimo stato è quello dove effettivamente avviene l interazione con il mondo fisico, cioè l acquisizione della misura da un sensore oppure l attivazione di un attuatore. Esiste una linea fisica che determina il trigger dello STIM e viene comandata direttamente dall NCAP che pertanto ha uno stretto controllo temporale sulle operazioni. Esistono sette tipologie di canali che si distinguono principalmente per il modo in cui esse rispondono al triggering. E infatti possibile scegliere le modalità di acquisizione dei dati con l utilizzo di buffer e con l attivazione di campionamenti periodici. Inoltre esiste anche un tipo di canale chiamato event sequence sensor che genera un segnale per l NCAP nel momento in cui si verifica un particolare evento, come ad esempio, il passaggio di un segnale analogico attraverso una certa soglia (setpoint). TEDS Una TEDS non è altro che un datasheet elettronico scalabile ed estendibile che consente al costruttore del sensore di salvare delle informazioni relative al dispositivo: a titolo di esempio si possono citare il luogo e la data di costruzione, informazioni relative alla versione, parametri di calibrazione, ecc. Le specifiche dello standard relative al datasheet riguardano solamente il suo formato logico ed il contenuto, mentre non viene posta alcuna restrizione sulla sua incorporazione fisica nello STIM e sulla possibile esistenza di interfacce fisiche interne tra una qualunque parte dello STIM e la TEDS del trasduttore. Lo standard richiede che la TEDS rimanga fisicamente associata al trasduttore da essa descritto sia durante il normale funzionamento, quindi con lo STIM connesso al NCAP, sia quando questa connessione viene interrotta, ad esempio per operazioni di immagazzinamento o calibrazione. All interno di queste strutture quasi tutte le informazioni sono immagazzinate in formato binario, mentre in alcune sono salvate come stringhe in uno dei diversi insiemi di caratteri supportati dallo standard. La direttiva definisce i seguenti 8 parti del datasheet elettronico: Meta TEDS ( logicamente associata al canale 0) Channel TEDS (una per ogni canale da 1 a 255) Meta-Identification TEDS Channel-Identification TEDS Calibration TEDS Calibration-Identification TEDS End-User s Application-Specific TEDS Industry Extensions TEDS Di questi, solo i primi due tipi devono essere obbligatoriamente implementati, mentre gli altri sono opzionali. In particolare dalla Meta-TEDS si evince quante Channel-TEDS sono presenti e se sono implementate la End-User s Application Specific TEDS, la Industry Extensions TEDS e la Calibration TEDS. Si crea quindi una gerarchia tra i datasheet elettronici mostrata nella figura. Pag. 150

8 Sistemi per l automazione e PLC Meta-TEDS Calibration TEDS Industry extensions TEDS End' User specific TEDS Channel TEDS La Meta TEDS è la base da cui partire per poter accedere allo STIM: i dati in esso contenuti descrivono lo STIM nella sua interezza, comprendono infatti informazioni legate alla versione dello standard implementato, informazioni sulla distribuzione dei canali, informazioni relative alle tempistiche (tempo di risposta ai comandi inviati da un NCAP, tempi di setup in lettura e scrittura, massima velocità di trasferimento dati supportata dallo STIM, ecc) e altri parametri come l identificativo universale dello STIM, che individua in modo univoco un particolare smart transducer interface module di un certo costruttore tra tutti quelli esistenti nel mondo. Particolare attenzione è stata posta, da parte del gruppo di lavoro destinato a redigere lo standard, alla problematica dell identificazione univoca di un dispositivo; per evitare la necessità di dover ricorrere all istituzione di un organismo internazionale che si occupasse dell assegnazione dei codici identificativi si è pensato di crearli combinando informazioni relative all ora, al giorno, all anno ed alla locazione geografica in cui un particolare STIM è stato costruito. In ogni Channel-TEDS è descritto un trasduttore di quelli implementati nello STIM: sono presenti informazioni relative alle unità di misura da applicare alle misure fornite dal sensore, i limiti di misura inferiore e superiore, le tempistiche (tempo di aggiornamento, tempo di setup in lettura e scrittura, periodo di campionamento, ecc). Tra le TEDS opzionali una menzione la merita sicuramente il Calibration-TEDS la cui funzione è quella di rendere disponibili all interfaccia tutte le informazioni necessarie ad un eventuale software di correzione (Correction Engine) delle misure fornite dal sensore. In esso sono immagazzinate informazioni quali l ultima data della calibrazione del sensore, l intervallo di tempo entro cui il dispositivo dovrà essere ricalibrato nonchè i coefficienti utilizzati dal correction engine per costruire la legge di correzione. TII Questa interfaccia hardware è definita specificando: un insieme di linee fisiche e le loro funzioni logiche i protocolli necessari per accedere alle informazioni le temporizzazioni relative al trasporto dei dati e al trigger Da un punto di vista fisico l interfaccia risulta costituita da 10 linee anche se la trasmissione dati è di tipo seriale sincrono a due fili con handshake hardware. Vengono inoltre fornite linee ausiliarie dedicate al trigger e all interrupt Per quanto riguarda i protocolli sono definite le funzioni di sincronizzazione e di trasporto dei dati che vengono implementate sull interfaccia fisica attraverso l asserzione o la negazione, da Pag. 151

9 A. Flammini parte del NCAP e dello STIM, dei segnali definiti in precedenza. Anche se l unità di informazione fisica effettivamente scambiata sulla linea dati è il bit, la comunicazione è organizzata a byte e i protocolli di più alto livello riguardano la lettura e la scrittura di frame, ossia di una sequenza di byte. Il trigger è un operazione che, mediante l attivazione della corrispondente linea fisica, permette all NCAP di controllare l esecuzione degli aggiornamenti degli attuatori o il campionamento dell uscita dei sensori. Pertanto la corretta sequenza per l accesso allo STIM attraverso la TII cambia a seconda del dato da leggere o scrivere come mostrato nella figura seguente Note sullo standard IEEE1451 Il mercato dei sensori, tradizionalmente molto frazionato per quanto riguarda gli standard di presentazione dai dati e ancora vincolato a sistemi analogici di trasmissione, solo ultimamente sembra iniziare ad accettare lo standard In particolare la parte di standard che ha avuto finora più successo è la e ci sono costruttori come la ENDEVCO che propongono accelerometri con uscita TII o come Telemonitor che invece producono STIM personalizzabili con i propri trasduttori. Un discorso a parte invece va affrontato per quello che riguarda la attualmente in fase di studio da parte dei ricercatori, ma non supportata da produttori di hardware. Addirittura, la Agilent aveva prodotto nel 2000 un chip, il BiFoot, specifico per l implementazione di un NCAP, ma è stata costretta a ritirarlo dopo solo un anno a causa della scarsa richiesta. Molto interesse sembra invece concentrarsi intorno allo standard (ancora in fase di sviluppo) per la trasmissione in modo misto dei dati digitali relativi alla TEDS sulla stessa linea usata per trasmettere le informazioni analogiche del sensore. Pag. 152

10 Sistemi per l automazione e PLC 8.3 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. Ipotizzando comunicazioni bidirezionali, si possono avere due tipi di connessione: Pag. 153

11 A. Flammini 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 simulanea. 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. 154

12 Sistemi per l automazione e PLC 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. Pag. 155

13 A. Flammini 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 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 Pag. 156

14 Sistemi per l automazione e PLC SwiftNet Worldfip Interbus 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. 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 Pag. 157

15 A. Flammini e isolamento, come indicato in figura e sviluppare il software sul processore relativo alla gestione del protocollo. 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 Sensore smart µc 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-DP Profibus è il bus di campo più diffuso a livello europeo. Basato sullo standard DIN e parte integrante della norma europea EN50170, Profibus 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 mezzo trasmissivo può essere costituito da un doppino spiralato e schermato (RS485) oppure da un cavo duplex in fibra di vetro o di plastica con possibilità di ripetitore con adattamento. Profibus può connettere fino a 127 partner distanti oltre 100m con una velocità di trasmissione dati da 9.6kbaud fino a 12Mbaud (100m, Profibus-DP); il metodo di accesso tra i master è a token passing. La codifica dei segnali utilizza il formato NRZ (Non Return to Zero), indicato di seguito. (Ck) Dato Pag. 158

16 Sistemi per l automazione e PLC 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 bit di stop ( 1 ) (efficienza di trasmissione pari a 8/11). Start Start Parità Stop Il Fieldbus Data Link layer (FDL) consiste di due sublayers: la porzione più in basso è Fieldbus Media Access Control (FMAC) e la porzione più in alto è Fieldbus Data Link Control (FDLC). Fieldbus Media Access stabilisce la politica di accesso tra i master e, fintanto che il master ha possesso del token, può interrogare gli slaves. Ne consegue che lo slave, cioè il sensore o l attuatore, può inoltrare l informazione solo a seguito di una specifica richiesta da parte del master. token-ring S S M M M S Il protocollo prevede formati con diverse configurazioni: se si suppone che il master inoltri una richiesta dati (messaggio da 6 bytes -> 66 bits) e che lo slave risponda con un messaggio con lunghezza del campo dati d variabile 4bytes d 249bytes (messaggio da 9+d bytes -> 11(9+d) bits), rispettando i tempi che devono trascorrere tra un messaggio e il successivo, si può stimare il tempo totale impiegato T P-DP byte 1 1 Richiesta_no_dati SYN START HEADER CHK EOF (32) 1 1 Risposta_e_dati START HEADER DATA CHK EOF 15 bit Di seguito viene calcolato il tempo totale, comprensivo di richiesta da parte del master e di risposta da parte del sensore, qualora l informazione del sensore, indicata con d, sia pari a 2 o a 8 bytes. T P DP = T req + T rep + T i = [ 66 + ( 9 + d) ] T bit 20µ s = 25µ s ( d = 2) ( d = 8) Pag. 159

17 A. Flammini L efficienza di trasmissione η P-DP, definita come il rapporto tra il tempo relativo alla sola trasmissione dell informazione utile e il tempo relativo alla trasmissione di tutto il pacchetto comprensivo della richiesta, della risposta e di tutti i bit relativi all indirizzamento o ai controlli, può essere valutata come segue. η P DP = d 8 T bit 6.8%( d = 2) [ 66 + ( 9 + d ) ] T 21% ( d = bit 8) Il Direct Data Link Mapper (DDLM) gestisce l interfacciamento con il livello utente. Il livello 7 è diviso in due entità: LLI (Lower Layer Interface) gestisce l interfaccia con il livello 2 (lista delle sessioni di comunicazione), FMS gestisce i servizi (tip. 8 per ogni dispositivo Profibus). Per assicurare una certa interoperabilità, Profibus prevede dei profili che descrivono la struttura, il tipo di dati e le assegnazioni dei dispositivi raggruppati per tipologia (Es. Sensori/attuatori, Azionamenti a velocità variabile, Apparecchi di manovra a bassa tensione, Automazione degli edifici,...). Profibus può essere considerato più come un bus di cella che come un bus specificatamente dedicato ai sensori e attuatori di tipo semplice; inoltre qualsiasi costruttore che fornisca il proprio sensore di interfaccia Profibus slave, deve subire un costoso processo di certificazione. Questo rappresenta uno dei vincoli che limita la comparsa sul mercato di sensori con interfaccia Profibus. Se ci si limita all analisi dell aggravio dei costi inerenti l implementazione di un interfaccia Profibus-DP di tipo slave per un sensore, esistono dispositivi periferici che gestiscono i livelli 1 e 2 ISO-OSI (Livello fisico e Data Link) in modo trasparente all utente. Il costo di tali dispositivi si aggira sui 10, tuttavia la gestione comporta un notevole dispendio di spazio codice ( 10kBytes) e di spazio RAM ( 200bytes) per cui risulta piuttosto gravosa per un microcontrollore a 8 bit. Ipotizzando l architettura riportata nella figura precedente, un tipico dispositivo periferico è il Siemens SPC3, operante a 48 MHz e dotato di 1.5 kbytes di memoria RAM a doppia porta, in grado di realizzare un interfaccia slave, mentre la presenza di isolatori ottici, quali gli HCPL7100, permette di alimentare il ricetrasmettittore RS485 mediante l alimentazione di rete, limitando le interferenze tra rete e sensore. Un connettore a 9 poli (DB9) porta la linea differenziale dei dati, la tensione di alimentazione con la massa e lo stato di abilitazione del trasmettittore RS485. Nel complesso Profibus-DP, anche nella versione slave, si rivela un interfaccia piuttosto gravosa, tanto che ad oggi non vi sono microcontrollori di uso comune che lo integrano a bordo come periferica. L interfaccia di sensori economici verso Profibus-DP viene oggi realizzata o indirettamente attraverso i PLC, o mediante appositi moduli concentratori, che sono moduli di ingresso e uscita, logica e analogica, con interfaccia Profibus gestita mediante firmware residente. Tali moduli, dedicati all interfaccia di sensori economici, sono veloci e non troppo costosi e, dato che l interfaccia diretta di un sensore economico su Profibus-DP sarebbe comunque piuttosto gravosa, in questo modo il costo del concentratore viene ripartito su più sensori. L interfaccia diretta di un sensore economico su Profibus-DP non comporta enormi vantaggi sul profilo architetturale, in quanto il flusso dati è ridotto ed è pesantemente condizionato dal master che Pag. 160

18 Sistemi per l automazione e PLC tende ad essere proprietario. Al contrario, Profibus-DP è presente come interfaccia diretta di PLC, sensori e attuatori di una certa complessità. Molto interessante e che va diffondendosi soprattutto negli ambienti dove la sicurezza è importante è Profibus-PA. Utilizza una codifica Manchester con protocollo di tipo sincrono (frame). 1 0 Frame FC DAD/SAD CO Data Unit FCS FC Frame Control (Es. lunghezza pacchetto 1 o 4 byte-) DAD/SAD Destination o Source Address (2 byte) CO Control Field (tipo di frame 1byte-) FCS Frame Check Sequence (2 byte) Il frame è preceduto da un preambolo di sincronizzazione. Profibus-PA costituisce un funzionale concetto per i campi a rischio di esplosione dell industria di processo. Vi è rischio di esplosione in presenza di tre componenti: scintilla, comburente, combustibile e quindi in tutti quei settori che trattano talune sostanze chimiche in presenza di cavi energizzati che connettono sistemi a diverse tensioni. Per ampliare Profibus di un segmento Profibus-PA nelle applicazioni a rischio di esplosione, si rende necessario un accoppiatore di segmenti con sezionatore dell alimentazione. Questo dispositivo provvede alla conversione delle PDU (Protocol Data Unit). I dispositivi connessi a Profibus-PA possono essere sostituiti durante il servizio AS-I (Actuator Sensor Interface) Un bus che costituisce una sorta di semplificazione monomaster dei bus di campo di tipo deterministico master-slave è il bus Actuator Sensor Interface (ASI). Da un punto di vista logico si tratta di una connessione a stella (point-multipoint), dove tutte le informazioni sono controllate dall unico master centrale in modo rigorosamente deterministico. E un bus del 1994 dedicato alla connessione tra un PLC e più sensori e attuatori che scambiano informaizoni binarie (fino a 31 slaves 4bit 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 di fatto vengono trasmesse solo le variazioni di stato del segnale. Il flusso delle informazioni è organizzato in modo ciclico e un ciclo può contenere da 1 a 31 messaggi. Alla fine del ciclo il master effettua una speciale interrogazione di uno slave selezionato ciclicamente così che dopo un massimo di 31 cicli, ciascuno slave sarà stato interrogato una volta in modo speciale (aciclico). Pag. 161

19 A. Flammini MD 01 MP SD SP MD 02 MP SD... SP Pausa MD 01 MP messaggio ciclo MD Master Data (richiesta del master, può essere una chiamata dati, parametri, indirizzamento o comando). E composta da 14 bit (Start bit S=0, Control bit C, 5 address bit A i, 5 data bit D i, Parity bit P e end bit E=1). S C A4 A3 A2 A1 A0 D4 D3 D2 D1 D0 P E MP Master Pause SD Slave Data (risposta dello slave. Formata da 8 bit: start bit S, 4 Data bit, Parity bit P e end bit E) SP Slave Pause La durata di un bit è pari a 6ms e la pausa slave va da 1 a 1.25 la durata del bit, mentre la pausa master è pari a 3 volte la durata del bit (stato sincronizzato) o 5 volte la durata del bit (stato non sincronizzato). La permanenza del livello pause hanno una durata massima di 3ms. Questo implica che il master si accorge che lo slave chiamato è assente dopo 3ms. Se lo slave non risponde a due chiamate successive viene eliminato dalla lista dei componenti attivi. Una stringa riconosciuta errata viene ripetuta. Il livello applicativo prevede sostanzialmente due processi: la fase di trasmissione (inizializzazione, avviamento, mantenimento della comunicazione con gli slaves) e la fase di gestione che elabora i task del livello master (un task alla volta). Se nel master è presenta la funzione di configurazione, un eventuale slave aggiunto durante il servizio può essere riconosciuto e integrato nella comunicazione. Se, come per Profibus si vuole calcolare l efficienza nel caso di flusso di informazione minimo (1 bit trasmesso dallo slave), si ottiene 1/( )=3.8% CANbus CANbus2.0b (Controller Area Network) è un bus a rilevazione di collisione sviluppato dalla Bosh per il collegamento in rete di dispositivi di comando, sensori e attuatori nelle linee di produzione del settore automobilistico. CANbus è uno standard ISO del 1985 nato per le esigenze del settore automotive e poi approdato al più classico ambiente industriale. All inizio del 92 è stata fondata l organizzazione internazionale di utenti e produttori CAN in Automation (CiA). Si tratta di 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 Pag. 162

20 Sistemi per l automazione e PLC 500kbit/s). Sulla linea i dati vengono rappresentati con il formato NRZ (non return to zero) codificati a campi di bit e la sincronizzazione è assicurata dal meccanismo di bit-stuffing. bit-stuffing Tale meccanismo prevede l inserzione automatica di un bit di polarità opposta (bit di stuffing) dopo 5 bit uguali. Il bit rate viene quindi ridotto di un fattore che dipende dalla stringa di dati e che, nel peggiore dei casi, può essere pari a 4/5 (stringa originaria = > ). La tecnica adottata da CANbus, detta Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoiding (CSMA/CA), è ad accesso casuale, ossia ogni utente può inoltrare un messaggio quando lo ritiene opportuno (contrariamente ai sistemi master-slave): secondo questa logica tutti gli utenti si comportano da master, anche se CAN prevede comunque degli slave (SLIO) con funzionalità ridotte che possono comunicare in seguito a richiesta o ad un particolare evento ( event-driven ). CSMA/CA prevede che in caso di collisione un solo messaggio venga interrotto mentre il messaggio dominante (quello con il bit a 0 ) possa proseguire. Ne consegue che un messaggio a bassissima priorità non può sapere a priori dopo quanto tempo arriverà a destinazione (non-determinismo). CSMA/CA A B A B CANbus supporta 4 tipi di frame: Data Frame, Remote Frame (richiesta di invio), Error Frame (segnalazione errori di trasmissione) Overload Frame (segnalazione di impossibilità temporanea a ricevere messaggi. Il data frame permette la trasmissione di un numero di byte dati d variabile tra 0 e 8 e, nel caso peggiore ha lunghezza pari a 154 bit, compresi i bit di stuffing e i bit che devono trascorrere tra un frame e il successivo (Interframe). Nell equazione riportata di seguito viene riportato il tempo relativo al frame e l efficienza, che è massima proprio per d=8. T CAN = (67 + d 8 + n stuf 95µ s ( d = 2) ) Tbit = 154µ s( d = 8) η CAN d 8 Tbit 17%( d = 2) = (67 + d 8 + n ) Tbit 42%( d = 8) stuf La struttura del frame (trama estesa) è riportata in figura seguente (CANbus 2.0b) e, come si può osservare, è sempre compresa entro 128 bit. Senza entrare nel dettaglio della struttura della trama, si noti come il bit IDE permette di riconoscere se si tratta di una trama estesa (identificatore a bit) o standard (identificatore a 11bit, Arbitration Field a 12 bit). Da notare come il bit RTR (Remote Trasmission Request) consenta la richiesta di invio di un messaggio: il nodo richiedente invia il frame con l identificatore settato al messaggio di cui ha Pag. 163