RETI INDUSTRIALI. Sistemi di rete a cablatura tradizionale. Sistemi di rete a cablatura innovativa Bus. Introduzione GERARCHIA DI CONTROLLO

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1 RETI INDUSTRIALI Ing.Francesco M. Raimondi Lezioni del corso di Automazione Industriale Dipartimento di Ingegneria dell Automazione e dei Sistemi GERARCHIA DI CONTROLLO Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 2 Sistemi di rete a cablatura tradizionale. Sistemi di rete a cablatura innovativa Bus. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 3

2 Topologia di dispositivi su Rete Bus Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 4 Topologia di reti a Bus di Campo: Distribuzione delle informazioni tipo bus. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 5 Topologia di reti a Bus di Campo: Distribuzione delle informazioni tipo stella. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 6

3 Topologia di reti a Bus di Campo: Distribuzione delle informazioni tipo Ring. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 7 Topologia di reti a Bus di Campo: Distribuzione delle informazioni tipo Mixata. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 8 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con RS 232 Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 9

4 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con RS 422 Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 10 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con RS 485 Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 11 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con trasformatore Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 12

5 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con Fibra Ottica Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 13 Mezzo fisico per la trasmissione delle informazioni: COLLEGAMENTO con CAN (Controller Area Network) Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 14 RETE DI COMUNICAZIONE DIGITALE LA COMUNICAZIONE DIGITALE SI BASA SU TRE INGREDIENTI FONDAMENTALI: 1) IL SOFTWARE E LE PROCEDURE CHE COSTITUISCONO IL PROCESSO DI COMUNICAZIONE; 2) GLI ELABORATORI (HOST): SISTEMI DIGITALI CHE OPERANO LO SCAMBIO DI INFORMAZIONI; 3) LA RETE CHE RAPPRESENTA IL MEZZO DI TRASMISSIONE SU CUI VIAGGIA L'INFORMAZIONE SOTTO FORMA DIGITALE. PROCESSO DI COMUNICAZIONE INDIRIZZO DEL PUNTO DI ACCESSO ( 1 ) (.. ) ( n ) TRASPORTO ACCESSO RETE SISTEMA X INDIRIZZO DI RETE RETE DI COMUNICAZIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 15

6 ARCHITETTURA DI UN PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE IL SISTEMA DI COMUNICAZIONE È TROPPO COMPLESSO PER POTER ESSERE REALIZZATO CON UN SINGOLO MODULO O PER UN SINGOLO PROCESSO DI COMUNICAZIONE DEVE ESSERE RIPARTITO FRA LE DIVERSE RISORSE DEL SISTEMA DI ELABORAZIONE L'ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI COMUNICAZIONE È FORMATA DA UN INSIEME DI STRATI (LAYERS), CHE VANNO DALLE INTERCONNESSIONI FISICHE ALLE FUNZIONI PIÙ COMPLESSE IL MODELLO OSI (OPEN SYSTEM INTERCONNECTION) E UNO STANDARD CHE PRESENTA UNA STRUTTURA A SETTE STRATI (LAYERS) NEL QUALE I MESSAGGI ORIGINATI IN UNO STRATO SUPERIORE VENGONO TRASMESSI VERSO I LIVELLI PIÙ BASSI FINO A RAGGIUNGERE LO STRATO PIÙ BASSO (PHYSICAL LAYER) CHE È DI FATTO COSTITUITO DAL CANALE DI TRASMISSIONE OGNI LIVELLO DEL MODELLO OSI HA UN INSIEME BEN DEFINITO DI FUNZIONI (MODALITÀ E INDIPENDENZA DEGLI STRATI) Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 16 FORMAZIONE DEL PACCHETTO DI TRASMISSIONE I MESSAGGI CHE ATTENDONO DI ESSERE SCAMBIATI DEVONO VENIR COMPLETATI CON ALTRI DATI DI RICONOSCIMENTO ED INSTRADAMENTO PRIMA DELLA EFFETTIVA TRASMISSIONE PER QUESTO MOTIVO LA TRASMISSIONE DIGITALE RICHIEDE COMPATIBILIT À FRA I SISTEMI CHE COMUNICANO FRA DI LORO ATTRAVERSO UN PROTOCOLLO GLI ELEMENTI CHIAVE DI UN PROTOCOLLO SONO: SINTASSI CHE INCLUDE IL FORMATO DEI DATI; SEMANTICA CHE COMPRENDE IL CONTROLLO DELL'INFORMAZIONE E DELL'ERRORE; TEMPORIZZAZIONE CHE INCLUDE LA VELOCIT À DI TRASMISSIONE E LA SEQUENZIALIZZAZIONE DEL ETICHETTA DI ACCESSO IN RETE ETICHETTA DI TRASFERIMENTO ETICHETTA DI TRASFERIMENTO STRATI Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 17 LIVELLI DI PROTOCOLLO OSI SUDDIVISIONE DELLE FUNZIONALITÀ DEL PROTOCOLLO IN 7 LIVELLI GERARCHICI A SECONDA DEL COMPITO A LORO ASSEGNATO PROTOCOLLO DI APPLICAZIONE PROTOCOLLO DI TRASPORTO DENOMINAZIONE PRESENTAZIONE SESSIONE TRASPORTO RETE LINEA LIVELLO FISICO FUNZIONE DEFINIZIONE DEI SERVIZI PER L UTENTE E DEL FUNZIONAMENTO (NETWORK VIRTUAL TERMINAL) GESTIONE DELLA SINTASSI DELL IN- FORMAZIONE DA TRASFERIRE ORGANIZZAZIONE DEL DIALOGO E SINCRONIZZAZIONE DI PROGRAMMI CORRETTO TRASFERIMENTO DI DATI END-TO-END INDIPENDENTE DAL TIPO DI RETE INSTRADAMENTO LOGICO DEI MESSAGGI END-TO-END, SCELTA DEL PERCORSO CORRETTA TRASMISSIONE DI PACCHETTI DI DATI TRA NODI ADIACENTI E CONTROLLO DI ACCESSO AL MEZZO TRASMISSIONE DI PACCHETTI DI BIT SU UN CANALE DI COMUNICAZIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 18

7 LIVELLI OSI INFERIORI 1) LIVELLO FISICO: IL PIÙ BASSO DELL'ARCHITETTURA OSI, SI OCCUPA DELL'INTERFACCIA FISICA TRA LA PERIFERICA E IL SISTEMA DI COMUNICAZIONE E DEFINISCE LE SUE CARATTERISTICHE MECCANICHE, ELETTRICHE, FUNZIONALI E PROCEDURALI, MANTENERE E DISATTIVARE UN COLLEGAMENTO FISICO. TIPICI PROTOCOLLI A LIVELLO FISICO SONO GLI STANDARD DI TRASMISSIONE SERIALE RS-232, RS-422, RS-423, RS ) LINEA: (DATALINK) REALIZZA L'APERTURA, IL MANTENIMENTO E LA CHIUSURA DI CONNESSIONI DATI TRA INTERLOCUTORI AL LIVELLO SUPERIORE. SI OCCUPA DI FORMARE I DATI DA INVIARE ATTRAVERSO IL LIVELLO FISICO, INCAPSULANDO I DATI IN UN PACCHETTO PROVVISTO DI HEADER (INTESTAZIONE) E TAIL (CODA), USATI ANCHE PER LE SEQUENZE DI CONTROLLO. ELIMINA, PER QUANTO POSSIBILE, GLI INCONVENIENTI CHE SI MANIFESTANO AL LIVELLO FISICO, VERIFICANDO LA CORRETTEZZA DELLA SEQUENZA E PROVVEDENDO EVENTUALMENTE ALLA SUA RITRASMISSIONE IN CASO DI PRESENZA DI ERRORI. 3) RETE: ATTRAVERSO LA RETE, ED EVENTUALMENTE COINVOLGENDO PIÙ NODI, METTE IN COMUNICAZIONE LA SORGENTE DEI DATI CON IL SUO DESTINATARIO. SONO IN QUESTO STRATO FUNZIONI DI RETE COME L'INSTRADAMENTO E LA COMMUTAZIONE, REALIZZATE NEI NODI DELLA RETE. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 19 LIVELLI OSI SUPERIORI 4) TRASPORTO: FRONTIERA FRA LE FUNZIONI DI COMUNICAZIONE E DI ELABORAZIONE. MASCHERA AL SESSIONE QUALSIASI PROBLEMA DI TRASMISSIONE DEI DATI, GARANTENDO L'INDIPENDENZA DELLE FUNZIONI DI ELABORAZIONE DELLA RETE DI COMUNICAZIONE. LA SUA UNITA DI MISURA E IL. 5) SESSIONE: È IL PIÙ BASSO TRA I LIVELLI DI ELABORAZIONE. CONTROLLA LA COMUNICAZIONE TRA APPLICAZIONI. CONSENTE LO SCAMBIO DI MESSAGGI TRA INTERLOCUTORI A PRESENTAZIONE, STABILENDO UNA CONNESSIONE LOGICA. OGNI CONNESSIONE DI SESSIONE NE UTILIZZA UNA DI TRASPORTO. PROVVEDE AL RIPRISTINO DEL COLLEGAMENTO IN CASO DI INTERRUZIONI ACCIDENTALI. 6) PRESENTAZIONE HA IL COMPITO DI CONSENTIRE LA CORRETTA INTERPRETAZIONE DEI DATI SCAMBIATI DA DUE APPLICAZIONI, TRASFORMANDO I DATI FORNITI DALLE APPLICAZIONI IN UN FORMATO STANDARDIZZATO E OFFRIRE SERVIZI DI COMUNICAZIONE COME LA CRITTOGRAFIA. 7) : È IL LIVELLO PIÙ ELEVATO DELLA ARCHITETTURA OSI E COSTITUISCE L'INIZIO E LA FINE DI TUTTE LE ATTIVITÀ SVOLTE DAGLI ALTRI LIVELLI. FORNISCE AI PROCESSI APPLICATIVI L'ACCESSO ALL'AMBIENTE OSI ED È L'UNICO A COMPLETA VISIBILITÀ DA PARTE DELL'UTENTE. ATTRAVERSO QUESTO LIVELLO ARCHIVI, MEMORIE DI MASSA, RISORSE DI SISTEMA SONO VISTI DALL'UTENTE COME RESIDENTI LOCALMENTE ALLA STAZIONE DI LAVORO, ANCHE SE FISICAMENTE SI TROVANO IN ALTRI PUNTI DELLA RETE. Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 20 LIVELLI DI PROTOCOLLO TCP PRODOCOLLO DI APPLICAZIONE PRODOCOLLO DI TRASPORTO LIVELLO OSI PRESENTAZIONE SESSIONE TRASPORTO RETE LINEA LIVELLO FISICO LIVELLO TCP/IP APPLICAZIONE NON PRESENTE NON PRESENTE TRASPORTO (TCP=TRANSMISSION CTRL PROTOCOL, UDP=USER DATAGRAM PROTOCOL) INTERNET (INTERNET PROTOCOL) LINEA LIVELLO FISICO Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 21

8 TRASMISSIONE DEL PACCHETTO DAL DATO AL UTENTE DAL DATO AL UTENTE 7 6 PRESENTAZIONE 5 SESSIONE 4 TRASPORTO 3 RETE 2 LINEA 1 FISICO 7 6 PRESENTAZIONE 5 SESSIONE 4 TRASPORTO 3 RETE 2 LINEA 1 FISICO CANALE DI TRASMISSIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 22 TRASMISSIONE DEL PACCHETTO DAL DATO AL UTENTE HOST HOST DAL UTENTE DATO AL PRESENT. 5 SESSIONE ROUTER 6 PRESENT. 5 SESSIONE 4 TRASPORTO 4 TRASPORTO 3 RETE 3 RETE 3 RETE 3 RETE 2 LINEA 2 LINEA 2 LINEA 2 LINEA 1 FISICO 1 FISICO 1 FISICO 1 FISICO CANALE DI TRASMISSIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 23 RETE DI COMUNICAZIONE DIGITALE I DISPOSITIVI INSERITI SULLA RETE DEVONO AVERE UN LINGUAGGIO COMUNE, ALTRIMENTI LA COMUNICAZIONE NON PUÒ AVVENIRE CORRETTAMENTE LIVELLI PRESENTAZIONE SESSIONE TRASPORTO RETE GESTORE DI RETE LINEA FISICO CANALE DI COMUNICAZIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 24

9 STRUTTURA DI UNA RETE DI COMUNICAZIONE SISTEMA DA CONTROLLARE / DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE PC DEDICATO RETE LOCALE SCXI DAQ SERIALE VXI ATTUATORI HMI/SCADA ACQUISIZIONE DISTRIBUITA SU BUS DI CAMPO PLC SISTEMA COMPLESSO DA CONTROLLARE FIELD POINT Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 25 PERCHÉ UTILIZZARE UN BUS DI CAMPO? PERCHÉ UTILIZZARE UN BUS DI CAMPO? FINO A POCO TEMPO FA I SISTEMI DI AUTOMAZIONE INDUSTRIALE ERANO COSTITUITI DI UN UNICA UNITÀ CENTRALE DI ELABORAZIONE CON ELEVATA POTENZA DI CALCOLO E DI TANTI DISPOSITIVI PERIFERICI IN GRADO DI FORNIRE ALL UNITÀ CENTRALE INFORMAZIONI SU SUA RICHIESTA. CON L EVOLUZIONE DELL ELETTRONICA E DELLA INFORMATICA, SEMPRE PIÙ INTELLIGENZA È STATA INSERITA NEI DISPOSITIVI DI COMUNICAZIONE DEI SISTEMI DI AUTOMAZIONE. NECESSITÀ DI UN SISTEMA DI COMUNICAZIONE PER LO SCAMBIO DI INFORMAZIONI FRA SISTEMI DI AUTOMAZIONE E DISPOSITIVI DI CAMPO Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 26 COSA È IL BUS DI CAMPO? VANTAGGI RISPETTO ALLE CONNESSIONI CONVENZIONALI: RISPARMIO SUI COSTI DI CABLAGGIO E DI MANUTENZIONE (FINO AL 40%) SEMPLICITÀ DELLA CONNESSIONE: DUE SOLI FILI PORTANO I SEGNALI ED IN ALCUNI CASI ANCHE L ENERGIA ELETTRICA PER L ALIMENTAZIONE DEI DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE LOCALE STANDARDIZZAZIONE: IL PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE STANDARD È NON PROPRIETARIO E PERMETTE LA CONNESSIONE DI DISPOSITIVI DI FABBRICAZIONE DIVERSA. PROFIBUS: PROTOCOLLO DEFINITO DA UN CONSORZIO EUROPEO IN CONFORMITÀ DELLO STANDARD EN Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 27

10 CONTROLLORE LOCALE CONFIGURAZIONE DEL DISPOSITIVO FONDAMENTALE PER GARANTIRE L INTEROPERABILITÀ CONSENTE A SISTEMI GIÀ ESISTENTI DI ACQUISIRE LE DEFINIZIONI DI DA NUOVI DISPOSITIVI DI CAMPO ELIMINA LA NECESSITÀ DI SVILUPPARE NUOVE INTERACCIE E DRIVER PROPRIETARI SOFTWARE DI CONFIGURAZIONE LOWER SPEED FIELDBUS DISPOSITIVO ATTUATORE DI MISURA DISPOSITIVO LOCALE DRIVER DI INTERFACCIA Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 28 BUS DI CAMPO PIÙ SOFISTICATI DI SEMPLICI RETI SERIALI SONO USATI PER MONITORAGGIO E CONTROLLO RICHIEDONO HARDWARE E SOFTWARE SPECIALIZZATI BUS DI CAMPO SI USANO DIVERSI PROTOCOLLI A SECONDA DELL APPLICAZIONE (DIFETTO: MANCANZA DI STANDARDIZZAZIONE) SI CLASSIFICANO IN TRE GRUPPI: SENSORBUS: LIMITATO AL SERVIZIO DI SINGOLI SENSORI DEVICEBUS: APPLICABILE A DISPOSITIVI PIÙ COMPLESSI FIELDBUS: VERA RETE INDUSTRIALE CHE PERMETTE LA COMUNICAZIONE A TUTTI I LIVELLI RECENTEMENTE È STATO RISOLTO ALMENO IN PARTE IL PROBLEMA DELLA STANDARDIZZAZIONE Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 29 STANDARD PROTOCOLLI PROFIBUS (FMS, DP, PA) CAN (CANOPEN, DEVICENET, SDS) INTERBUS S HART ASI TCP/IP FIELDBUS FUNDATION PROPRIETARI FIPWAY MPI SINELEC UNITELWAY.... PROTOCOLLI Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 30

11 APPLICAZIONI PRINCIPALI APPLICAZIONI TIPICHE TIPI DI BUS DI CAMPO SENSORBUS DEVICEBUS FIELDBUS MACCHINE AD EVENTI DISCRETI MACCHINE AD EVENTI DISCRETI PROCESSI DI TIPO CONTINUO PLC PLC DCS DIMENSIONE DEI DATI < 1 BYTE 8 32 BYTE > 32 BYTE IMPIEGO DI MICROPROCESSORE INTELLIGENZA NO DI VARIO TIPO SI DIAGNOSTICA NO SEMPLICE SOFISTICATA TEMPO DI RISPOSTA MENO DI 5 ms MENO DI 5 ms 100 ms DISTANZA BREVE BREVE LUNGA ESEMPI NO SI SI SENSORI DISCRETI DI PROSSIMITÀ SENSORI FOTOSENSIBILI CON DIAGNOSTICA VALVOLE SMART CON DIAGNOSTICA Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 31 TIPI DI BUS DI CAMPO PER L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE SENSORBUS DEVICEBUS FIELDBUS CAN DEVICENET IEC/SP50 SERIPLEX CANOPEN FOUNDATION FIELDBUS ASI PROFIBUS DP PROFIBUS PA LONWORKS LONWORKS LONWORKS FIPIO WORLFIP SDS INTERBUS-S Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 32 DISPOSITIVI COLLEGABILI ALLE RETI DEVICEBUS SERVOVALVOLE E CONTROLLORI LOCALI INTEGRATI DISPOSITIVI DI MISURA E CONTROLLORI LOCALI INTEGRATI P C D C S P L C AZIONAMENTI DISPOSITIVI DI MISURA TRASDUTTORI DI MISURA ATTUATORI ON/OFF RELÈ SENSORI ON/OFF FIELDBUS SENSORBUS Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 33

12 DISPOSITIVI COLLEGABILI ALLE RETI TPC/IP ETHERNET FIELDBUS DEVICEBUS SENSORBUS SCADA D C S P L C ATTUATORI SENSORI Ing. F.M. Raimondi Automazione Industriale 34