PROFIBUS: bus standard per industria e building automation

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1 PROFIBUS: bus standard per industria e building automation Luca ing. Marani Softing Industrial Solutions Italia Via Sesini Verona Sommario Il bus di campo Profibus, si adatta perfettamente ad ogni esigenza impiantistica, viene usato con successo in applicazioni industriali, di automazione di fabbrica e di edifici. Consente di ottenere impianti moderni con elevato valore aggiunto, contemporaneamente offre flessibilità, estrema semplicità di progettazione e risparmio economico. Permette il più ampio utilizzo delle risorse di cui sono dotati i sensori e gli attuatori intelligenti per il campo, garantisce la comunicazione bidirezionale su più livelli e trasparenza delle informazioni. La seguente relazione analizza nel dettaglio la soluzione bus di campo PROFIBUS alla luce delle applicazioni specifiche introdotte nel seguito: Trattamento acque: Monitoraggio e controllo del depuratore centrale di Faenza. Controllo edifici: Rilevazione e controllo dei consumi energetici di un Albergo. Produzione Inchiostri: Fisat /Controllo livello serbatoi Parole chiave Impianti industriali, Building Automation, bus di campo 1 PROFIBUS 1.1 Breve descrizione tecnica di una soluzione standard Profibus e gli standard internazionali. E storia recente quella relativa alla definizione dello standard IEC 61158, ma rappresenta la continua evoluzione dell era dell informazione. La necessità di comunicare in modo aperto scende sino al componente che genera l informazione di base, il dispositivo di campo. Profibus in quanto parte della norma IEC 61158, e prima ancora EN , con lo sviluppo dei profili DP e PA ha aperto le frontiere della comunicazione tra i dispositivi di campo rendendoli interoperabili con l automazione di fabbrica e le sue evoluzioni. Non quindi una soluzione proprietaria o di pochi, ma una soluzione veramente aperta e condivisa da molti costruttori ed utilizzatori.

2 Nulla di facile perché creare delle soluzioni standard spesso è argomento conflittuale tra costruttori e utilizzatori, si arriva alla standardizzazione solo dopo aver realizzato e sperimentato delle soluzioni industriali. Generalmente ciò richiede tempi lunghi e contrasta con l attuale evoluzione soprattutto nell ambito dell alta tecnologia. Profibus, già soluzione standard europea adottata da più costruttori e usata da una molteplicità di utenti ha senza dubbio favorito lo sviluppo e la diffusione dei bus di campo. Ovviamente altre soluzioni di bus di campo sono rappresentate nelle norme internazionali succitate, ma l interesse attuale è quello di portare alla conoscenza del lettore di alcune realizzazioni esistenti. 1.2 Una soluzione standard Europea A chi serve uno standard? Questa è una domanda alla quale spesso si è chiamati a dare risposta. Generalmente il primo beneficiario di una soluzione std. è proprio il cliente, in quanto ha maggiori opportunità di scelta e ha comunque la garanzia della completa interoperabilità o intercambiabilità; pensate solo agli apparecchi radiotelevisivi, oppure agli apparecchi telefonici, in mancanza di uno standard le trasmissioni televisive sarebbero utilizzabili solo per pochi e le comunicazioni telefoniche forse potrebbero essere solo locali. Anche i costruttori di apparecchiature, produttori di servizi.. sono avvantaggiati se esistono chiare norme di riferimento, sono certi che i loro prodotti possono essere facilmente recepiti dal mercato. Il mondo industriale è abituato ad usare soluzioni standard per l elettrificazione (es. 24KV, V, 50Hz), per le reti strumentali (4.20 ma, 3..15psi); ora anche per le reti di comunicazione digitale. Profibus è parte integrante dello standard Europeo EN50170 approvato dal CENELEC alla fine del marzo 96. E divenuto il punto di riferimento per gli utilizzatori ed i costruttori di sistemi automatizzati in ambito del controllo di processo, industria manifatturiera e building automation. Più precisamente, lo standard EN50170, contempla le tre soluzioni bus di campo che alla data della deliberazione erano certificate a livello nazionale. APPLICAZIONE PRESENTAZIONE SESSIONE TRASPORTO RETE SCAMBIO DATI LIVELLO FISICO Fig. 1: Modello OSI L analisi tecnica ha verificato inoltre che per i bus di campo proposti fossero specificati livelli 1, 2 e 7 del modello ISO-OSI (livello fisico, il tipo di accesso e applicativo), non solo, il bus di campo candidato tra le altre caratteristiche avrebbe dovuto: -avere servizi di network management; -possibilità di operare ad elevata velocità di trasmissione;

3 -esperienza conclamata con diverse applicazioni già realizzate; -grande disponibilità di prodotti; Venivano pertanto accettati: - Profibus già presente in Germania con lo std. DIN 19245, - P-Net std danese Dsf WoldFIP francese std. Ute Dei tre, Profibus grazie all ampia disponibilità di prodotti, ha dimostrato da subito la forza, non solo sul territorio tedesco, ma nell Europa intera. Le applicazioni Profibus sono presenti oltre che nel manifatturiero anche nel controllo di processo soddisfacendo le problematiche di trasmissione dati a partire dal sensore sino al sistema di controllo di fabbrica. Ad oggi, sono disponibili più di 1200 prodotti Profibus realizzati da oltre 300 diverse aziende, che credono e sviluppano in continuazione apparecchiature collegabili a reti Profibus. 2 Profibus sotto il profilo tecnico 2.1 Il protocollo Profibus Il Data Link Layer realizza l accesso al bus in modo ibrido combinando le tecniche del token passing e master-slave, il metodo di accesso (livello 2 Fieldbus Data Link) è di tipo token passing tra un massimo di 32 master e 95 slave. PROFIBUS modo di accesso al Bus con comunicazione combinata Multi-Master e Master-Slave Stazioni Attive, Interrogano i device PLC PC PLC PROFIBUS-DP Dispositivi Passivi, Dispositivi Slave PROFIBUS-PA F Fig. 2 Logica rete PROFIBUS Il token può essere paragonato ad un microfono messo a disposizione a più relatori durante una conferenza, in questo caso i relatori avranno diritto di gestione sequenziale prestabilita del microfono, gli altri partecipanti slave invece potranno rispondere solo se autorizzati dal relatore (dietro cessione del microfono).

4 Il token pertanto viene gestito esclusivamente dai master, gli slave rispondono alle interrogazioni dei master stessi. Il collegamento fisico di un master è definito nodo attivo, può inviare e ricevere dati a tutti gli altri nodi, mentre quello dello slave è definito nodo passivo e può scambiare dati solo dietro richiesta di un partecipante attivo. Tutti partecipanti inseriti in una sequenza definita rappresentano il token ring logico. Ad ogni nodo attivo sono noti gli altri attivi e la loro sequenza nell anello logico. Il diritto a trasmettere (token) viene trasferito sequenzialmente tra i master. Ogni mater conosce l indirizzo degli altri master, ciò offre la possibilità ad ogni master di controllare ciclicamente la presenza di tutti i nodi presenti sulla rete riconoscendo le variazioni (inserimento o disinserimento di unità nella rete). Non appena viene verificata la presenza di un nuovo master sulla rete, questo riceve immediatamente il token. Al termine di ogni rotazione viene calcolato il tempo di mantenimento del token per ogni singolo master. Durante il tempo di mantenimento del token il master può comunicare con gli altri partecipanti alla rete. Non appena scaduto il tempo di mantenimento il nodo deve cedere il token. Il tempo massimo di rotazione del token TRT (Target Rotation Time) deve essere impostato in fase di configurazione della rete. Nel caso in qui il tempo a disposizione risulti insufficiente o nullo il master ha diritto ad inviare un messaggio ad alta priorità. L FDL oltre alla gestione del token e del TRT offre altri tre servizi utili per la gestione delle informazioni: - SDA (Send Data with Acknowledge) il nodo attivo dopo l invio di un messaggio ad uno passivo ne riceve immediatamente conferma. - SDN (Send Data with no Acknowledge) viene principalmente usato per messaggi di broadcast o multicast dal nodo attivo senza ricevere conferma dell avvenuta ricezione dei dati. - SRD (Send and Request Data) è il servizio che permette di trasmettere dei dati al nodo passivo al quale allo stesso tempo sono richiesti ulteriori informazioni. - CSRD (Cyclic and Request Data with Reply) è il servizio Profibus che consente lo scambio dei dati in modo ciclico La soluzione Profibus si articola su tre profili specializzati capaci di coprire le diverse esigenze impiantistiche: FMS DP PA Applicazione FMS Device Profiles DP-Profiles PA-Profiles DP-Extentions DP Basic Functions Livelli ISO/OSI FMS Fieldbus Data Link (FDL) RS-485 NOT USED IEC Interface IEC Fig. 3: Modello OSI applicato a PROFIBUS 2.2 FMS FMS (Field Massage Specification), tipicamente usato per comunicazione acicliche di dati tra il livello di cella ed il livello di fabbrica può avere velocità di trasmissione selezionabile tra

5 9,6-19,2-93,75-187,5-500 Kbit/s. Consente collegamenti multimaster e multislave. Il collegamento avviene tramite lo standard RS 485 su doppino twistato. Si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione (quali variabili, eventi) che possono essere scambiati tra i nodi della rete in modo client server. Gli oggetti di comunicazione vengono descritti nel dizionario oggetti. 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 oggetti Servizi di accesso alle variabili Servizi di gestione degli eventi Servizi di gestione del domain e program invocation 2.3 DP DP (Decentralized Periphery), è estremamente efficiente nei servizi ciclici per scambio dati tra master e slave con prestazioni temporali interessanti è di semplice configurazione e consente realizzazioni di reti a basso costo. Il supporto elettrico è sempre RS 485 con lunghezze ammissibili superiori ai 1000 mt, la velocità di trasmissione può arrivare a 12Mbit/s(selezionabile tra 9,6-19,2-93,75-187, Kbit/s). Con Profibus-DP sono possibili configurazioni monomaster e multimaster con le medesime limitazioni del profilo FMS. Configurazione aperta Plug and Play PROFIBUS tool di configurazione Sistema di configurazione P L C PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Fig. 4: Configurazione rete PROFIBUS Profibus DP consente lo scambio dei seguenti dati tra l unità master e lo slave: -Lettura della diagnostica -Scambio ciclico di dati -Set dei dati di parametrizzazione -Controllo dei dati di configurazione -Emissione comandi di controllo -Lettura ingressi/uscite -Lettura configurazione -Cambio indirizzi degli slave Le caratteristiche di ogni dispositivo DP sono descritte nel relativo file GSD. Il file GSD contiene tutti i parametri specifici del dispositivo come:

6 -Velocità di trasmissione -Lunghezza del frame trasmesso -Numero degli input/output -Messaggio di diagnosi -Ulteriori informazioni se disponibili Le funzioni estese di Profibus DP consentono la lettura e la scrittura aciclica sugli slave ed il riconoscimento degli allarmi provenienti dagli slave. Master Slave classe1 classe 2 DP PA Fig. 5: Partecipanti una rete PROFIBUS Le apparecchiature Profibus DP possono essere: Master di classe 1 -Controllore centrale per lo scambio dati con periferie decentrate come PLC, PC, VME e DCS. Master di classe 2 -Per configurazione, monitoraggio e supervisione. Tipicamente PC con installati i tool di configurazione e programmazione dei dispositivi e della rete. Slave -Periferie decentrate e dispositivi di campo come valvole e strumenti. 2.4 PA PA (Process Automation), profilo specifico per l automazione di processo. A mio avviso rappresenta la grande novità nell ambito dell automazione di processi industriali. Diventa concreta la possibilità di usare in modo completo la tecnica di collegamento digitale sino dai componenti più prossimi al processo quali sensori e attuatori. Il livello fisico del Profibus-PA è conforme allo std. internazionale IEC , per il collegamento viene usato un semplice doppino twistato (AGW 22) col quale si possono coprire distanze sino a 1900mt. I dispositivi di campo risultano collegati in multidrop creando segmenti di rete ai quali possono essere collegati sino a 32 dispositivi (10 in zona pericolosa). Tutti i dispositivi di campo risultano collegati in parallelo, vengono alimentati via bus e il segnale di trasferimento dati viene modulato in corrente (Manchester code). La velocità di trasmissione è fissa a 32,25 Kbit/s. Fig. 6: Reti a sicurezza intrinseca

7 Profibus-PA si collega ad una rete Profibus-DP attraverso il segment coupler, il quale ha il compito di adattare il livello fisico dei due profili (IEC con RS485); di adattare il baudrate del profilo PA con quello scelto per la rete DP; di alimentare i dispositivi di campo e creare una protezione intrinseca consentendo di realizzare impianti in zona con pericolo di incendio od esplosione. Abbandonando la tecnica di collegamento di tipo punto-punto, si ottengono sensibili riduzioni di cablaggi e relativi accessori; di alimentatori e/o barriere a sicurezza intrinseca; di schede di I/O. Essendo la comunicazione di tipo bidirezionale esiste in modo permanente la possibilità di leggere o scrivere informazioni per ogni singolo dispositivo collegato. Sistema ma PROFIBUS-PA PNC Process near component PNC X 1 I/O modules (1-x) Scheda di rete Morsettiera del.. (PNC) I/O module Morsettiera di interconnessione εx PROFIBUS DP εx Alimentatori per trasmettitori Mors. di quadro Exi, cavi blu i Segment Coupler 1 Segment Coupler n.. i Quadro di Distribuzione PROFIBUS PA 1 Junction box PROFIBUS PA n sensori 1... n sensore 1... n Fig 7: Topologia rete DP/PA per ambiente Ex Con un solo canale di collegamento (due conduttori) sarà quindi possibile, per uno strumento di misura, acquisire oltre alla variabile di processo anche le variabili di compensazione o informazioni diagnostiche; per un attuatore, leggere la posizione, la coppia, il tempo di apertura o chiusura.. Viceversa, attraverso la funzione di scrittura si possono operare configurazioni e tarature, gli attuatori potranno essere comandati in apertura o chiusura. A questo punto tutte le informazioni contenute nei dispositivi diventano facilmente accessibili.

8 I parametri standard del profilo strumenti Profibus-PA Esempio: Function Block Uscite analogiche, Transmettitore di Pressione 12 bar 8 bar campo di misura (bar) 0 bar Limite fisico del sensore Campo di misura limite max HI-HI-LIM HI-LIM Campo di misura limite min (soglia di alarme max pressione) (soglia operativa) LO-LIM (soglia operativa) LO-LO-LIM (soglia di alarme min pressione) PV_SCALE (Campo scala del misuratore) OUT (Valore misurato) -1 bar Limite fisico del sensore Fig.8:Profilo PROFIBUS PA Ogni dispositivo Profibus-PA deve disporre come minimo delle informazioni previste dalla normativa, informazioni supplementari possono essere implementate. Nella figura è rappresentata il Blocco Funzione al quale devono riferirsi i trasmettitori di pressione. Anche per i dispositivi Profibus-PA così come per le apparecchiature DP, le informazioni ed i dati specifici sono contenuti nel file GSD. A tutti gli effetti un dispositivo Profibus-PA viene gestito come uno slave DP. A differenza delle apparecchiature convenzionali che lavorano con segnali 4 20 ma, le informazioni trasmesse in modo digitale sono rappresentate sotto forma di valore in virgola mobile e sono corredate di unità ingegneristica (es. 12,2 bar o 115,85 F oppure 127 m 3 /h ). Ciò evita di associare il campo scala al segnale in uscita dal dispositivo (4 20 ma = C). Questa tecnica porta alla creazione di servizi sotto forma di dati ubicati nel dispositivo di campo. Verrà letto il n di ore di funzionamento di una valvola dall attuatore stesso, oppure la portata transitata dal misuratore di portata stesso scaricando così il sistema di gestione di calcoli laboriosi riducendo di conseguenza il costo del software. I dispositivi Profibus-PA sono caratterizzati da due profili. Il Profilo A contiene tutte le funzioni di base per la lettura e la configurazione, mentre nel profilo B sono definite le funzioni addizionali specifiche del costruttore. 3 Applicazioni multivendor Grazie alla completa standardizzazione dei profili FMS, DP e PA sono possibili applicazioni multivendor. Queste soluzioni di impianto risultano essere di estremo interesse per l utilizzatore, il quale ha la possibilità di scegliere il miglior fornitore delle singole apparecchiature. Tutto ciò non avviene in applicazioni utilizzanti soluzioni proprietarie, dove ad esempio, al costruttore di un ottimo PLC verrebbe chiesta anche la fornitura della valvola modulante o di uno strumento di misura di pressione, probabilmente la competenza tecnica non sarà allo stesso livello. Già le attuali esperienze mostrano realizzazioni di impianti con più di un costruttore specifico per componenti come PLC, PC, Strumenti, Attuatori ed Elettrovalvole tutti collegati in modo trasparente alla stessa rete.

9 4 Prodotti ed applicazioni Fig. 9: Organizzazione PROFIBUS a livello mondiale Sono ormai innumerevoli le applicazioni sia in Italia che in altri paesi europei, ma recentemente grazie alla flessibilità, disponibilità di apparecchiature e know-how di integratori di sistemi la Profibus sta approdando in Sud Africa Canada ed USA. Le applicazioni di maggior pregio oltre a quelle in ambito manifatturiero, grazie al profilo PA, sono nel controllo di processo di impianti alimentari e chimico di base. Molte applicazioni sono descritte nella rivista informativa PROFINEWS disponibile anche nel sito internet (http// L elenco dei costruttori e dei prodotti Profibus, è disponibile sia nel sito internet che su CD-ROM facendone richiesta alla segreteria Consorzio PNI (Profibus Network Italia). Troverete la disponibilità di oltre 1450 prodotti di 650 diversi costruttori oltre a riferimenti tecnici e normativi e letteratura relativa alle soluzioni Profibus. 5 La certificazione dei prodotti, garanzia dell interoperabilità di prodotti di diversi fornitori Quando si parla di soluzioni multifornitore è necessario verificare e garantire la completa interoperabilità dei prodotti. Esistono Centri di Competenza Profibus nelle diverse nazioni, capaci di fornire informazioni generali ad utenti e costruttori, divulgare documentazione tecnica, verificare l interoperabilità dei prodotti e certificare nuovi prodotti. La procedura di certificazione dei prodotti Profibus si basa sullo std. EN Il Centro di Competenza Profibus in Italia si trova a Padova dove ha sede anche la segreteria del Consorzio PNI