TECNICO SUPERIORE PER L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE. Reti industriali. Parte II ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05

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1 Reti industriali Parte II ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 1

2 Scenario Industriale ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 2

3 Bus di campo (FieldBus) Utilizzati per la comunicazione a livello di cella e al livello di sensori/attuatori Dai protocolli proprietari su RS485 ( 80) alla definizione di standard di uso generale ( 90) Principali requisiti: GESTIONE MESSAGGI Aspetti architetturali (singolo master, multi-master, politica d accesso,..) capacità di trasmissione adeguata (numero dati per messaggio) garanzia dei tempi massimi di trasmissione (Real Time) 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 ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 3

4 Architettura a bus di campo Caratteristiche Architettura a bus Trasmissione digitale dei segnali Strumenti intelligenti Vantaggi Risparmio sui costi di cablaggio e installazione Facilità di aggiunta o rimozione dei dispositivi Riduzione degli errori d installazione Condivisione delle risorse Tolleranza ai guasti Flessibilità Svantaggi Problemi di interoperabilità tra sistemi diversi Difficoltà di applicazione in aree pericolose Sconvolgimento delle di progettazione ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 4

5 IEC TECNICO SUPERIORE PER L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE IEC Le specifiche chiave per bus di campo sono incluse nello standard IEC I servizi e i protocolli di comunicazione previsti per il Bus di Campo IEC sono raggruppati in tre livelli principali, ciascuno dei quali è definito da uno o più documenti. Livello System & Network Management Livello Application IEC Livello Data Link IEC Livello Physical IEC Il livello più alto è quello Application definito dal documento IEC per quanto riguarda i servizi e dal documento IEC per il protocollo. Sotto di esso vi è il livello Data Link definito dai documenti IEC e IEC per quanto riguarda i servizi e il protocollo rispettivamente. Sotto ancora vi è il livello Physical, definito dal documento IEC Un livello di System & Network Management supervisiona l intera pila di comunicazione. Il documento di definizione di tale livello ha la sigla IEC ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 5

6 Reti industriali ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 6

7 ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 7

8 ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI) Tecnologia aperta supportata da una moltitudine di fornitori Bus di campo dedicato a sensori e attuatori binari (Sensor/Actuator level) AS-Interface è un sistema che richiede quattro componenti fondamentali: Un master di rete, nella maggior parte dei casi nella forma di un gateway di una rete di più alto livello industriale o di una scheda PLC Un certo numero di dispositivi slave, nella maggior parte dei casi di moduli di Input/Output Un alimentatore utilizzato per alimentare gli slave consentendo in tal modo la comunicazione con il master di rete L'infrastruttura di cablaggio, nella maggior parte dei casi è realizzata mediante il cavo piatto giallo ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 8

9 ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI) Architettura Alimentazione Mezzo trasmissivo Topologia Max Lunghezza segmento Master/Slave (Monomaster) 24V DC Doppino non schermato Albero 100m senza ripet., 300m con ripet. Max Numero di nodi 31 nella v 2.0, 62 nella v 2.1 Data Rate Error Detection Operazioni master/slave 5 ms per interrogare 31 nodi, 10 ms per 62 nodi Realizzata dal master Inserzione/disinserzione slave a caldo Supportata Operazioni multimaster Il master interroga ogni slave sequenzialmente e attende la risposta Non Supportata ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 9

10 Interfaccia ASI one connection D0 = sensor 1 D1 = sensor 2 D2 = actuator 1 c o n t r o l l e r m a s t e r 1 module enclosure AS- Interface Slave IC D3 = actuator 2 P0 Watchdog energy up to 4 sensors or/and 4 actuators T o S l a v e 1 T o S l a v e 2 T o S l a v e 3 1 T o S l a v e 1 S l a v e 1 S l a v e 2 S l a v e 3 1 S l a v e 1 ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 10

11 ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI) AS-Interface è un sistema che richiede quattro componenti fondamentali: Un master di rete, nella maggior parte dei casi nella forma di un gateway di una rete di più alto livello industriale o di una scheda PLC Un certo numero di dispositivi slave, nella maggior parte dei casi di moduli di Input/Output Un alimentatore utilizzato per alimentare gli slave consentendo in tal modo la comunicazione con il master di rete L'infrastruttura di cablaggio, nella maggior parte dei casi è realizzata mediante il cavo piatto giallo ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 11

12 Profibus Profibus è l'acronimo di Process Field Bus. Si tratta di un bus di campo (field bus) messo a punto nel 1989 da un consorzio di diverse aziende tra le quali Siemens. Le sue applicazioni sono nel campo dell'automazione industriale e di processo. Esiste nelle varianti DP (Decentralized Peripherals): è responsabile della comunicazione tra il livello di controllo di un sistema di controllo automatico (PLC) e dispositivi decentralizzati di campo. Una delle principali caratteristiche di PROFIBUS DP è la sua alta velocità di trasmissione fino a 12 Mbit/s. Il mezzo trasmissivo può essere il doppino intrecciato (RS-485) o la fibra ottica a seconda delle necessità. PA (Process Automation): è stato sviluppato per l automazione dei processi. Comunicazione e alimentazionetransmitter sono gestite su un unico cavo a due conduttori corrispondente allo standard IEC (anche noto come MBP Manchester coded Bus Powered). Intrinsecamente sicuro può essere utilizzato in zone pericolose (rischio di esplosione, ) FMS(Fieldbus Message Specification): sviluppato per gestire la comunicazione tra dispositivi intelligenti normalmente al livello di controllo, fornisce all utente una ricca varietà di funzioni. Recentemente rimpiazzata da tecnologie basate su ethernet ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 12

13 Profibus ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 13

14 Profibus Tutte le varianti PROFIBUS sono basate sul modello OSI (in accordo con lo standard internazionale ISO 7498). A causa dei requisiti del fieldbus, solo i livelli 1, 2 e7 sono stati implementati per ragioni di efficienza. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 14

15 Profibus (Livello fisico) ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 15

16 Profibus DP (Livello data-link) La contesa sull'accesso al mezzo fisico è gestita unicamente dai Master, tramite un meccanismo di passaggio di token (token passing) Solo il master che possiede il token può interrogare gli slave ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 16

17 Profibus DP L aggiunta di nuove funzionalità di alto livello ha portato a definire 3 versioni della variante DP. In particolare: DP-V0 (1993): scambio ciclico dei dati (tra master e slave) e diagnostica; DP-V1 (1997): scambio ciclico e aciclico dei dati (tra master e slave) e gestione degli allarmi DP-V2 (2002): scambio dati slave-to-slave in modalità broadcast con ciclo di bus isocrono. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 17

18 CAN Nel 1986 la Bosch, su richiesta del gruppo Mercedes e BMW, cercò di risolvere gran parte dei problemi che si riscontravano nella diffusione delle informazioni tra i sempre più numerosi dispositivi elettronici presenti all interno di un autovettura (air conditioning control, antiblock braking system, traction control etc.). Fu così che nacque il protocollo di rete CAN (1.0) Progettato specificamente per il campo dell automotive trova oggi applicazione anche nel campo dell automazione industriale ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 18

19 CAN Il CAN (acronimo di Controller Area Network) è un protocollo di comunicazione seriale che assicura un elevato livello di sicurezza per controlli real-time. Il suo dominio applicativo spazia dalle reti ad alta velocità fino ad impianti elettronici di basso costo. Nel campo dell automazione industriale motori, sensori e numerosi altri dispositivi elettronici sono connessi tramite CAN (con bit rate fino a 1 Mbit/s). ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 19

20 CAN Allo scopo di ottenere un modello trasparente ed un implementazione flessibile, si potrebbe inquadrare il protocollo CAN in 3 differenti livelli: il livello di OGGETTO il livello di TRASFERIMENTO il livello FISICO ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 20

21 CAN Ai primi due livelli (livello di OGGETTO e di TRASFERIMENTO) sono associati tutti i servizi e le funzioni del livello DATA-LINK definito nel modello ISO/OSI. Lo scopo principale del livello DATA-LINK è di trasformare una trasmissione grezza in una linea per il livello superiore che appaia libera da errori di trasmissione non segnalati. Visto che il livello FISICO accetta e trasmette sequenze di bit senza far riferimento al loro significato o alla loro struttura, è compito del livello data-link creare e riconoscere i limiti dei pacchetti. Il livello di OGGETTO è in grado inoltre di: capire quali messaggi sono stati trasmessi decidere quali messaggi ricevuti dal livello di trasferimento vanno processati ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 21

22 CAN Il cavo trasmissivo è un doppino intrecciato (schermato o no a seconda delle applicazioni) terminato con impedenze di valore pari a 120Ω. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 22

23 CAN Livello Fisico Ogni nodo di una rete CAN è composto da 3 parti principali: TRANSCEIVER: alimentato tipicamente a 5V, rileva lo stato del bus valutando la differenza di tensione tra le due linee CAN_H e CAN_L. < 0.5 V stato DOMINANTE > 0.9 V - stato RECESSIVO Interfaccia il Controllore CAN con il BUS CAN CONTROLLER: trasmette e riceve dati via seriale al transceiver e comunica col microcontrollore. MICROCONTROLLORE: gestisce le operazioni che deve svolgere il nodo. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 23

24 CAN Un nodo CAN non usa informazioni sulla configurazione del sistema. Possono essere aggiunti nodi senza che vengano richiesti cambiamenti a livello hardware o software (flessibilità del sistema); Il contenuto dei messaggi è caratterizzato da un identificatore che non indica l indirizzo di destinazione del pacchetto ma descrive semplicemente quanto vi è contenuto, affinché tutti i nodi della rete siano in grado di decidere attraverso il filtraggio del messaggio se appropriarsene o meno; ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 24

25 CAN Accesso al canale CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance). Quando il bus è libero ogni unità è abilitata a trasmettere informazioni (multimaster). Solo l unità a cui è associato il messaggio con priorità più alta si guadagna l accesso al canale. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 25

26 CANOpen CANOpen specifica il protocollo di livello più alto ed è basato sul bus CAN. Transmission of time-critical process data according to the producer consumer La rete CANopen è basata su una struttura master/slave per la gestione del bus ed è costituita da un master e da uno o più slave. Il master esegue le funzioni seguenti: inizializzazione degli slave, supervisione degli slave, inoltro delle informazioni di stato sugli slave. principle ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 26

27 Industrial Ethernet Per Industrial Ethernet (IE). S intende l uso delle tecnologie ethernet in ambiti industriali quali automazione e controllo dei processi. Un certo numero di tecniche e accorgimenti sono utilizzati per adattare Ethernet alle esigenze dei processi industriali, che richiedono spesso risposte in tempo reale. Usando tecnologie Ethernet standard, sistemi di automazione di diversi produttori possono essere interconnessi tra loro. Industrial Ethernet trae vantaggio dal largo mercato del computer networking per ridurre I costi e migliorare le performance di comunicazione tra I controllori industriali. I componenti IE usati negli impianti industriali devono essere progettati per funzionare in ambienti difficili con temperature extreme, alta umidità, vibrazioni, di molto superiori ai normali ranges riscontrabili in uffici o altri ambienti controllati. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 27

28 Industrial Ethernet Vantaggi Maggiore velocità (ad es. Da 9.6 kbit/s with RS-232 a 1 Gbit/s with Gigabit Ethernet) Maggiori lunghezze Possibilità di usare cavi access points, routers, switches standard, which are enormemente più convenienti degli equivalenti dispositivi che usano le porte seriali. L architettura Peer-to-peer può sostituire quella master-slave tipica dei fieldbus Migliore interoperabilità tra dispositivi di produttori diversi Maggiori difficoltà nell uso di Industrial Ethernet Migrazione da protocolli esistenti a nuovi protocolli (esistono numerosi dattatori) La necessita di risposte Real-time può soffrire la necessità di usare il TCP come protocollo di trasporto (infatti alcuni prot. usano UDP and protocolli del livello 2 per questa ragione) Gestire l intero stack TCP/IP è molto più complesso che semplicemente inviare/ricevere dati seriali La dimensione minima del frame Fast Ethernet che include dello spazio interframe è circa 80 bytes, mentre la dimensione tipica nelle comunicazioni indusrialli oscilla tra 1 e 8 bytes. Questo spesso si traduce in una efficienza di trasmissione dati inferiore al 5%, annullando i vantaggi del bitrate più alto. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 28

29 Classificazione IE A seconda dei costi e della necessità di risposte di tipo Real-Time, le tecnologie IE, possono essere raggruppate in 3 diverse classi: Classe A: usa hardware ethernet non modificato e lo stack tcp/ip per i processi di comunicazione. Classe B: usa hardware ethernet non modificato, non usa lo stack tcp/ip ma un protocollo dedicato (Process Data Protocol) trasportato direttamente nel frame ethernet. Classe C: ottiene limiti prestazionali migliori grazie all uso di hardware modificato (dedicato) almeno per quanto riguarda i dispositivi slave. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 29

30 Classe A Le tecnologie di classe A utilizzano un approccio di tipo best effort (attenzione alla rapidità di consegna non agli errori di trasmissione) Risente comunque di ritardi non predicibili dovuti a componenti come gli switches e traffico sulla rete. Il più grande ostacolo all ottenimento di performance real-time è dovuto però a ritardi nell attraversamento dei livelli 3 e 4 (TCP/UDP e IP) ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 30

31 Classe B Il miglioramento delle prestazioni è ottenuto attraverso l inserimento di un protocollo dedicato che opera parallelamente al TCP/UDP e IP Questi protocolli sono ancora utilizzabili ma il loro accesso alla rete ethernet è regolamentato da quello che può essere considerato un livello di temporizzazione (Timing Layer) ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 31

32 Classe C Anche in questo caso lo stack tcp/ip può accedere alla rete ethernet attraverso un time-layer ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 32

33 Profinet Nasce dall esigenza di coordinare varie celle tra loro e di collegarle con le reti Intranet e Internet dell azienda per gestire i processi di produzione e garantire servizio e manutenzione in remoto Sviluppata da Profibus principalmente per far interagire segmenti separati di bus di campo attraverso Ethernet e collegarli ai sistemi di gestione dell azienda secondo una struttura rigorosamente gerarchica ProfiNet permette l interazione tra oggetti remoti ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 33

34 Profinet ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 34

35 Profinet 3 varianti ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 35

36 Profinet Non viene più utilizzato il modello Master/Slave, ma il modello Producer/Consumer Uno dei nodi è l arbitro della rete; vengono identificati i nodi che sono produttori di un certo tipo di informazioni ed i nodi che ne sono consumatori. L arbitro della rete, piuttosto che abilitare o meno i singoli nodi alla trasmissione, consente la comunicazione di una certa trasmissione, implicitamente abilitando il suo produttore a trasmetterla ed i suoi consumatori a riceverla ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 36

37 Profinet La rete PROFInet distingue tra tre tipi diversi di periferiche IO IO-Controller: dispositivo che controlla le operazioni di automazione IO-Device: dispositivo di campo monitorato e gestito dall IO-Controller IO-Supervisor: sono software (solitamente su PC) per settaggio di parametri e diagnostica degli IO-Device ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 37

38 Profinet - comunicazioni La comunicazione in profinet presenta 3 livelli di prestazioni: TCP, UDP e IP per i dati non critici rispetto al tempo, come assegnamento di parametri e configurazione. (Soft) Real Time per dati di processo critici rispetto al tempo; utilizzata nel campo dell automazione aziendale. IRT (Isochronous Real Time) per particolari applicazioni di motion control. ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 38

39 Profinet IRT Il minimo tempo di ciclo è determinato dalla necessità di includere il generico traffico TCP/IP in uno slot largo abbastanza da saturare il frame ethernet Questo approccio conduce a una utilizzazione della banda non ottimale poiché sebbene molte applicazioni hanno sporadiche comunicazioni TCP/IP, la banda rimane disponibile per questo tipo di traffico ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05 39

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