I bus di campo nell automazione industriale Fabio Giorgi Introduzione Aspetti di comunicazione nell automazione industriale Esempio di cella di lavorazione Passaggio dal controllo centralizzato al controllo distribuito I bus di campo nei controlli distribuiti Alcuni criteri di scelta per i bus di campo
Introduzione La comunicazione nell automazione industriale Integrazione dei processi industriali Controllo dei processi Pianificazione della produzione Manutenzione degli impianti Sicurezza Introduzione La comunicazione nell automazione industriale Problematiche: Distanza tra le varie parti dell impianto Standardizzazione dei segnali trasmessi
Cella di lavorazione Pressa idraulica Robot per l estrazione dei pezzi stampati Robot per il posizionamento dei pezzi grezzi Sistema di controllo centralizzato p rif h Control rif rif
Sistema di controllo distribuito Remote Host p microc rif h rif microc rif microc Aspetti problematici nella realizzazione di robot di taglia medio/piccola I conduttori devono essere cablati all interno della struttura del robot Il peso e l ingombro dei conduttori non sono trascurabili La meccanica del robot deve essere sovradimensionata Aumentano le difficoltà di documentazione e di manutenzione
Dettaglio dei cablaggi interni al robot AMADEUS Dettaglio del routing attraverso il link 3 del robot AMADEUS Architettura hardware tradizionale I moduli di controllo sono posti in un rack separato dalla struttura del robot
Architettura hardware distribuita I moduli di controllo sono distribuiti sulla struttura del robot Controllo distribuito Caratteristiche dei controlli distribuiti: Unità specifiche per acquisizione e controllo. Unità distinte per visualizzazione (consolle operative), funzioni di archiviazione storica, funzioni di analisi e/o pianificazione. Necessità di disporre di elettronica con alte prestazioni e consumi ridotti, che possa essere portata sul campo.
I bus di campo nel controllo distribuito Che cos è un bus di campo? Bus di campo Bus di campo (fieldbus) è il termine fissato in ambito IEC (International Electrotechnical Commission) per indicare in un processo automatizzato lo standard di comunicazione seriale tra i diversi dispositivi (nodi) costituenti il processo, quali: - dispositivi di campo (sensori, attuatori, ecc.) - dispositivi di controllo (PLC, DCS, ecc.) La comunicazione tra i nodi è gestita secondo un protocollo che è caratteristico di ogni tipo di bus di campo Il modello ISO/OSI è il riferimento per i protocolli
Terminologia Alcuni concetti di base: Mezzo trasmissivo Nodo Messaggio Modalità Master Modalità Slave Arbitraggio dei conflitti Nodo 1 Nodo 2 Nodo N Il modello di riferimento ISO/OSI User Process 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Tranport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Descrizione dell interfaccia verso l applicazione Conversione di codici e verifica della sintassi Gestione delle sessioni di lavoro Apertura e chiusura delle connessioni Informazioni di routing Formato delle trame e verifica di correttezza Caratteristiche fisiche (livelli elettrici, codifica )
Il modello di riferimento ISO/OSI Sistemi aperti: protocolli di comunicazione nascono dall esigenza di collegare e far comunicare apparecchiature di costruttori diversi Non tutte le applicazioni adottano il modello completo Anche alle elevate velocità di elaborazione dei moderni µp, l attraversamento dei 7 livelli richiede tempi rilevanti, incompatibili con i tempi necessari al controllo di processo Topologia delle reti Node2 Node3 Node4 Node1 Node5 Node7 Node6 Rete ad anello
Topologia delle reti Node2 Node3 Node4 Node1 Node0 Node5 Node8 Node7 Node6 Rete a stella Topologia delle reti Node1 Node2 Node5 Node4 Bus Node0 Node3 Node6 Topologia a bus
I bus di campo nei controlli distribuiti Tipologia dei bus di campo Modello Client-Server Un AP (Applicative Process) è cliente di un servizio fornito da un altro AP. Client Server 1-Richiesta 2-Risposta I bus di campo nei controlli distribuiti Tipologia dei bus di campo Modello Producer-(Distributor)-Consumer Il produttore di un dato lo rende disponibile (eventualmente su richiesta di un distributore) a tutti i possibili consumatori o utilizzatori. In tale modello il dato viene diffuso su tutta la rete in broadcasting e quindi ne viene salvaguardata la consistenza. Distrib Prod Cons1 Cons2 1-Richiesta 2-Broadcast Bus
Criteri di scelta dei bus di campo Tre aspetti fondamentali Prestazioni Costi Tempo di obsolescenza e compatibilità passata e futura Metodi di accesso al bus Le tre architetture principali Master/Slave Token Ring Multimaster
Metodi di accesso al bus Architettura Master/Slave Un solo nodo Master Tutti gli altri nodi Slave Strategia di arbitraggio non necessaria Metodi di accesso al bus Architettura Token Ring Struttura ad anello (Ring) Movimento del testimone (Token) Quando un nodo è Master Quando un nodo è Slave Strategia di arbitraggio non necessaria
Metodi di accesso al bus Architettura Multimaster Quando un nodo è Master Quando un nodo è Slave Startegie di arbitraggio: molteplici Esempi: Ritrasmissione dopo un tempo casuale Arbitraggio bit a bit Prestazioni dei bus di campo - Banda passante Banda passante utile Banda passante del mezzo trasmissivo Banda passante utile (BPU)
Prestazioni dei bus di campo - Banda passante BPUmax Si definisce Massima Banda Passante Utile la BPU che ha a disposizione un nodo Master quando in un sistema fieldbus sono presenti solo due nodi e la trasmissione dati è monodirezionale Nodo 1 Flusso dei dati Nodo 2 Prestazioni dei bus di campo - Banda passante La variazione della BPU rispetto alla BPUmax al variare del numero di nodi è un buon parametro per confrontare le prestazioni delle diverse architetture Nodo 1 Flusso dei dati Nodo 2
Prestazioni dei bus di campo - Banda passante Andamento della BPU al variare del numero dei nodi 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 % BPUmax Master/Slave Token Ring MultiMaster Arbitraggio1 MultiMaster Arbitraggio2 Numero di Nodi Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza Tempo di latenza massimo per eventi asincroni (TLmax) Tempo di latenza evento-messaggio Ipotesi di priorità massima Ipotesi del caso peggiore Definizione del tempo di latenza in termini di numero di messaggi di ritardo
Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza Andamento del TLmax al variare del numero dei nodi 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 TLmax 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Numero di Nodi Master/Slave Token Ring MultiMaster Arbitraggio1 MultiMaster Arbitraggio2 Costi
Costi di un sistema bus di campo Scegliere un fieldbus è solo una scelta tecnica o è anche una scelta economica? L hardware Il software I costi di sviluppo La manutenzione Costi di un sistema bus di campo I costi dell hardware Il risparmio rispetto alle soluzioni non fieldbus La differenza di costo tra due diverse soluzioni fieldbus: I componenti elettronici costano poco se sono largamente diffusi sul mercato Le royalties sul firmware possono fare la differenza Concorrenza tra produttori = risparmio assicurato
Costi di un sistema bus di campo I costi del software Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus: Un software di sviluppo non proprietario (drivers e librerie per sistemi operativi standard) garantisce prezzi ragionevoli Le licenze spesso sono un punto critico Costi di un sistema bus di campo I costi di sviluppo Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus: Una piattaforma molto diffusa assicura buoni strumenti di sviluppo a costo accettabile Compatibilità a livello hardware e protocolli di alto livello abbassano notevolmente i tempi di sviluppo!
Costi di un sistema bus di campo I costi di manutenzione Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus Connettori e cablaggi Diagnostica automatica dei sistemi Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus: Strumenti di sviluppo software Compatibilità tra hardware di produttori differenti Tempo di obsolescenza e compatibilità passata e futura " #
Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo Tempi di obsolescenza Velocità con cui varia la tecnologia Vantaggi che offre una nuova tecnologia Difesa degli investimenti fatti L obsolescenza è un fattore meno importante se si mantiene compatibilità con i sitemi passati e futuri Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo Compatibilità nel tempo 2 soli fattori sono storicamente i più importanti nel valutare quanto compatibile resterà un sistema nel tempo: Numero di produttori Numero di utilizzatori Grandi consorzi di produttori e consumatori sono l unica garanzia per la compatibilità $ %
I bus di campo nei controlli distribuiti Metodi di accesso al bus CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Token Ring Token Bus Arbitrated Access (La funzione di arbitro del bus può eventualmente essere ridondata, in modo da garantire il funzionamento del bus in ogni circostanza) Caratteristiche principali dei metodi di accesso Caratteristiche principali CSMA/CD Token Ring Token Bus Arbiter Tipo di accesso Probabilistico Sequenziale Sequenziale Deterministico Coordinamento dell accesso Complessità dell accesso A collisioni rilevate e risolte A gettone ciclico senza priorità A gettone Controllato dall arbitro Bassa Media Alta Elevata Livelli di priorità Nessuno Possibile Presente (fisso) Presente (variabile) Velocità di risposta Buona/Scarsa (dipende dal carico) Buona dipende dal # di nodi Molto Buona con livello di priorità fisso Ottima con livello di priorità variabile & &