MODULO 5.4 RETI PER L AUTOMAZIONE

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1 MODULO 5.4 RETI PER L AUTOMAZIONE 1

2 RETI PER L AUTOMAZIONE Docente Federico Tramarin, PhD Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR-IEIIT via Gradenigo 6/b, Padova tramarin@dei.unipd.it tel:

3 PROGRAMMA DEL CORSO 1)Generalità sulla trasmissione dei dati Tecniche di trasmissione e codifica in banda base 2)Introduzione alle reti di comunicazione Architetture Protocolli Modello OSI Reti locali (LAN, WLAN) ~ 12 ore 3)Reti di comunicazione di campo Profibus CAN (cenni) 4)Real-Time Ethernet 3

4 RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ? Condividere risorse collegare tra loro dispositivi, computer comunicare con altre persone Accedere a dati e strumenti remoti gestione di ordini, magazzino e fatture controlli di qualità, analisi ed esami controllare strumentazione e acquisire misurazioni Aumentare l affidabilità di un sistema distribuire operazioni su due o più sistemi uguali ed indipendenti verifiche di integrità dei dati e ridondanza Avionica, controllo di processo, ecc. 4

5 RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ? 5

6 RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ? Reti di comunicazione nel settore dell automazione e industriale quali motivazioni? 5

7 RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ? Reti di comunicazione nel settore dell automazione e industriale quali motivazioni? Controllo di processo accedere a dati e strumenti remoti controllare strumentazione e acquisire misurazioni Gestione di impianti controlli di qualità, analisi ed esami magazzino, ordini, ecc. 5

8 RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE Reti di comunicazione nel settore dell automazione e industriale Process Automation: tutte le applicazioni che fanno riferimento a sistemi di acquisizione dati, monitoraggio, supervisione e controllo, con lo scopo di automatizzare sistemi fisici costituiti dalla integrazione di diversi sistemi più semplici 6

9 monitoraggio, supervisione e controllo, con lo RETI scopo DI di COMUNICAZIONE automatizzare sistemi INDUSTRIALE fisici costituiti dalla integrazione di diversi sistemi più semplici I primi sistemi di Direct Digital Control (DDC) controllo furono i Direct Digital il computer controllava Control (DDC) in direttamente i sistemi di I/O cui il computer controllava direttamente i sistemi di I/O. 7

10 RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE I Distributed Control Systems (DCS) hanno rappresentato la naturale evoluzione dei sistemi di Distributed Control Systems (DCS) DDC ed hanno permesso di realizzare controlli che hanno permesso di realizzare controlli includevano diversi loop di regolazione e quindi di che includevano diversi loop di gestire sistemi complessi. regolazione e quindi di gestire sistemi complessi 7

11 (AMRF) del National Bureau of Standards. RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE Le attività all interno della fabbrica sono suddivise in cinque livelli funzionali Facility level Shop level Cell level Workstation level Equipment level 8

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15 INTRODUZIONE AI BUS DI CAMPO FIELDBUS Settore industriale applicazione come insieme di attività nelle quali lo scambi di dati/ comunicazioni sono svolti per gestire un gruppo di risorse Aree ad elevata automazione Factory Automation Process Automation Automotive application Ognuna con requisiti e compiti diversi tipologie di connessione tra dispositivi configurazioni protocolli per lo scambio di dati 9

16 COMUNICAZIONE A LIVELLO DI CAMPO Ma cosa vuol dire comunicare a livello fisico? scambiare dati tramite segnali elettrici In ambito industriale, dalle capacità di comunicazione dipendono le capacità e le prestazioni del controllo di processo. Il livello di campo (FieldBus) è quello più critico quantità di informazione che il sistema riesce a trasferire (throughput) affidabilità del sistema (ridondanza, ritrasmissioni, ecc.) tempestività nello scambio delle informazioni (timeliness) 10

17 INTRODUZIONE AI BUS DI CAMPO FIELDBUS Il Fieldbus - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabell Un po di storia: Evoluzione verso il Fieldbu i dispositivi di campo venivano collegati ad un controllore (PC o PLC) centrale quest entità controlla un loop di regolazione collegamenti punto-punto anello di corrente 4-20 ma Tradizionalmente, i dispositivi di campo sono ad una workstation che realizza il controllo di un di loop di regolazione o a un PLC che cont singolo loop di regolazione, mediante colle punto-punto. DCS console Control room DCS Controller 4-20 ma Signal junction box 11

18 i tratta di una comunicazione analogica BUS DI CAMPO - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabella oiché il valore della corrente varia in modo Il Fieldbus - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabella TRASMISSIONE DATI ontinuo fra i 4 e 20 ma. ione verso il Fieldbus La connessione 4-20 ma (2) lmente, i dispositivi di campo sono collegati kstation che realizza Componenti il controllo del current di un gruppo loop: regolazione o a un PLC che controlla un Power Supply: Il current loop usa la corrente continua op di regolazione, poichè mediante l ampiezza collegamenti della corrente rappresenta il livello del o. segnale trasmesso. Control room DCS console DCS Controller 4-20 ma Signal junction box 12 Ricevitore: è il dispositivo all altro estremo della linea di

19 LIVELLO FISICO A questo livello avviene la reale trasmissione e scambio di informazioni/dati codifica del dato interfaccia con altri dispositivi Caratteristiche del livello fisico influiscono su distanza di collegamento banda di comunicazione numero di dispositivi sicurezza (intesa sia come safety che come security) capacità di alimentare i dispositivi ecc 13

20 LA CODIFICA DEI DATI LA TRASMISSIONE IN BANDA BASE 14

21 FRAME, BIT, SEGNALI Sono i segnali quelli che fisicamente vengono trasmessi sul link Trame Bit Segnali Lezione 18 Accademico 2005/06 Sul link fisico traanno i dispositivi si trasmettono segnali codificati 15 Slide 4

22 TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO Trasmissione Dati Parallela Seriale Sincrona Asincrona 16

23 Vengono trasmessi 8 bit contemporaneamente in TRASMISSIONE PARALLELA ciascuno slot temporale Trasmettitore Ricevitore 18 Per ogni slot temporale si trasmettono n bit Anno Accademico 2005/06 17

24 TRASMISSIONE SERIALE Convertitore Parallelo/Seriale Convertitore Seriale/Parallelo Trasmettitore Ricevitore ezione 18 Anno Accademico 2005/06 Slide 7 18

25 TRASMISSIONE SERIALE ASINCRONA Trasmissione Seriale Asincrona Bit di START Bit di STOP Intervallo temporale variabile Trasmettitore Intervallo temporale variabile tra trame successive: notare la differenza con le trame di trasmissione dei sistemi plesiocroni e sincroni Ricevitore Lezione 18 Anno Accademico /06 Slide 9

26 TRASMISSIONE SERIALE ASINCRONA Trasmissione Seriale Asincrona Bit di START Bit di STOP Comunicazione Seriale Asincrona Trasmettitore Intervallo temporale variabile Intervallo temporale variabile tra trame successive: notare la differenza con le trame di trasmissione dei sistemi plesiocroni e sincroni Ricevitore Lezione 18 Anno Accademico 2005/06 Slide 9 Intervallo nullo in questo caso Carattere Corrente Carattere Successivo Bit di Start Bit di Stop Bit di Start t Bit di Parità (dispari) In questo caso il periodo di tempo (time gap) tra la trasmissione dei due caratteri è nullo 20

27 Trasmissione Seriale Sincrona TRASMISSIONE SERIALE SINCRONA Flag Data Flag Clock Trasmettitore Ricevitore Lezione 18 Anno Accademico 2005/06 Slide 10 21

28 TRASMISSIONE SERIALE SINCRONA Connettore DB DTE (Terminale o Computer) ITU-T N / / EIA Label AA BA BB CA CB CC AB CF SCF SCB SBA DB SBB D LL SCA CD RL/CG CE CH/CI CI DA Name - TxD RxD RTS CTS DSR - CD S-CD S-CTS S- TxD TxClk S- RxD RxClk LL S-RTS DTR RL/SQD RI DSRD TxClk TM Maschio Femmina DCE (Modem) Calza del cavo - Terra Trasmissione Dati ( TxD ) Ricezione Dati ( RxD ) Request to Send (RTS) Clear to Send (CTS) DCE Ready (DSR) Segnale di Comune - Massa Carrier Detect Riservato al Test Riservato al Test Non assegnato CD Secondario CTS Secondario TxD Secondario TxClk se stabilito dal DCE RxD Secondario RxClk Local Loopback RTS Secondario Data Terminal Ready (DTR) Remote Looback/Signal Quality Detector Ring Indicator Data Signal Rate Detector (DTE o DCE) TxClk se stabilito dal DTE Test Mode EIA-232 Lezione 18 Anno Accademico 2005/06 Slide 14 Connettore DB Lezione 18 Anno Accademico 2005/0

29 CODIFICA IN BANDA BASE Segnali si propagano attraverso un mezzo fisico sotto forma di modulazioni di onde elettromagnetiche variazione di tensione, corrente, frequenza, ecc Dato binario variazione nel segnale Esempio 1 logico segnale con tensione positiva 0 logico segnale con tensione negativa 23

30 CODIFICA DEI DATI: NRZ Esempio: Codifica Elettrica 1 logico segnale con tensione positiva 0 logico segnale con tensione negativa I segnali si propagano su un mezzo fisico modulando onde elettromagnetiche variando voltaggi Non-Return to Zero I dati binari devono essere codificati in segnali la più semplice e naturale codifica dei segnali esempio: 0 come segnale basso, 1 come segnale alto a volta anche NRZL (L=level) codifica nota come NRZ (non-return to Zero) Dati binari (bit) Segnale NRZ 24

31 Codifica Elettrica NON-RETURN TO ZERO I segnali si propagano su un mezzo fisico ATTENZIONE modulando onde elettromagnetiche variando voltaggi la parola Zero non indica che il livello del segnale non deve I dati binari devono essere codificati in segnali essere esempio: nullo. 0 come segnale basso, 1 come segnale alto Infatti, codifica spesso nota come il valore NRZ (non-return 0 si codifica to Zero) con 0 V Dati binari (bit) 5 V Segnale NRZ 0 V E efficace? se ho una sequenza di 0 prolungata potrei confonderla con assenza di segnale, o con problemi sul link Lezione 18 Anno Accademico 2005/06 Slide 2 lunghe sequenze di 1 potrebbero spostare la soglia di riconoscimento (riferimento) dei bit non è possibile recuperare il clock 25

32 NON-RETURN TO ZERO Problemi Temporizzazione di sincronizzazione Recupero del clock OK NO! Tx Rx Tx Data ClockTx ClockRx 26

33 NON-RETURN TO ZERO Unipolare o bipolare 27

34 CODIFICA DEI DATI: NRZ-I Non-Reurn to Zero-Level Inverted Lo 0 mantiene il livello del segnale che si aveva in precedenza. Qual è il pregio di questa codifica? 28

35 COSA SIGNIFICA RETURN TO ZERO? Return to Zero-Level Ogni bit conclude con un ritorno a 0 V. 3 stati possibili per il segnale. E la banda del segnale? 29

36 CODIFICA MANCHESTER il valore binario è rappresentato dal tipo di transizione compiuto e non dal valore assoluto di tensione Si ha una transizione tra valore alto e basso ad ogni bit La banda occupata è quindi elevata!! 30

37 CODIFICA MANCHESTER transizione Alto-Basso: 1 transizione Basso-Alto: 0 Alcune versioni usano la convenzione opposta Basso-Alto: 1, Alto-Basso: 0 31

38 CODIFICA MANCHESTER PRO: semplice (anche dal punto di vista circuitale) indipendente dai valori di tensione scelti permette automaticamente di recuperare il clock CONTRO utilizza circa il doppio della banda rispetto alla sequenza binaria (NRZ) meno resistente al rumore rispetto a codifiche più complesse Ne esiste anche una versione differenziale 32

39 ALTRE CODIFICHE Esistono molte altre codifiche di linea le più recenti sono costruite per sopperire alle mancanze delle più classiche Esempi: AMI B8ZS, HDB3 2B1Q Hamming 4B5B MLT-3 Usate in Ethernet!!! 33

40 ESEMPIO: ETHERNET 100BASE-TX 34

41 ESEMPIO: ETHERNET 100BASE-TX 34