I bus di campo nell’automazione...

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Universita' di Genova - DIST - GRAAL

I bus di camponell’automazione industriale

Fabio Giorgi


Introduzione

• Aspetti di comunicazione nell’automazioneindustriale

• 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

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• 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

Introduzione

La comunicazione

nell’automazione industriale

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Pressa idraulica

Robot per il posizionamentodei pezzi grezzi

Robot per l’estrazionedei pezzi stampati

Cella di lavorazione


Control

h

p

rifrif

rif

Sistema di controllo centralizzato

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microC

microC microC

h

p

rif

rif rif

Remote

Host

Sistema di controllo distribuito


•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

Aspetti problematici nella realizzazionedi robot di taglia medio/piccola

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Dettaglio del routingattraverso il link 3

del robot AMADEUS

Dettaglio dei cablaggiinterni al robot

AMADEUS


Architettura hardware tradizionale

I moduli di controllo sono posti in un rack separato dalla struttura del robot

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Architettura hardware distribuita

I moduli di controllo sonodistribuiti sulla struttura del robot

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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”.

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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 inun 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 unprotocollo che è caratteristico di ogni tipo di bus di campo• Il modello ISO/OSI è il riferimento per i protocolli


Terminologia

Mezzo trasmissivoNodoMessaggioModalità MasterModalità SlaveArbitraggio dei conflitti

Nodo 1 Nodo 2 Nodo N

Alcuni concetti di base:


Il modello di riferimento ISO/OSI

•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…)

7 Application6 Presentation5 Session4 Tranport3 Network2 Data Link1 Physical

UserProcess

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Il modello di riferimento ISO/OSI

• Sistemi aperti:protocolli di comunicazione nascono dall’esigenza dicollegare e far comunicare apparecchiaturedi costruttori diversi

• Non tutte le applicazioni adottano il modello completoAnche alle elevate velocità di elaborazione dei moderniµP, l’attraversamento dei 7 livelli richiede tempirilevanti, incompatibili con i tempi necessari al controllo di processo


Topologia delle reti

Node2

Node1

Node5

Node7

Node4

Node3

Node6

Rete ad anello

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Node2

Node1

Node5Node0

Node4

Node3

Node6Node8

Node7

Rete a stella



Node2Node1

Node0

Node4

Node3 Node6

Node5

Bus

Topologia a bus

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I bus di campo nei controlli distribuiti

Tipologia dei bus di campo• Modello Client-Server

Un AP (Applicative Process) è cliente di unservizio fornito da un altro AP.

Client Server

1-Richiesta

2-Risposta



Tipologia dei bus di campo• Modello Producer-(Distributor)-Consumer

Il produttore di un dato lo rende disponibile (eventualmentesu richiesta di un distributore) a tutti i possibili consumatorio utilizzatori. In tale modello il dato viene diffuso su tutta larete in “broadcasting” e quindi ne viene salvaguardata laconsistenza.

2-Broadcast1-Richiesta

Bus

Distrib Cons2Cons1Prod

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Criteri di scelta dei bus di campo

• Prestazioni• Costi• Tempo di obsolescenza e compatibilità

passata e futura

Tre aspetti fondamentali


Metodi di accesso al bus

Le tre architetture principali

• Master/Slave• Token Ring• Multimaster

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Architettura Master/Slave

• Un solo nodo Master• Tutti gli altri nodi Slave• Strategia di arbitraggio non necessaria



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

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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)

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BPUmaxSi definisce Massima Banda Passante Utile la

BPU che ha a disposizione un nodo Masterquando in un sistema fieldbus sono presentisolo due nodi e la trasmissione dati èmonodirezionale

Nodo 1 Nodo 2Flusso dei dati



Nodo 1 Nodo 2Flusso dei dati

La variazione della BPU rispetto alla BPUmaxal variare del numero di nodi è un buonparametro per confrontare le prestazioni dellediverse architetture

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0102030405060708090

100 M as ter /S lave

To ken Ring

M u l t iM as terA rb i t rag g io 1M u l t iM as terA rb i t rag g io 2

% BPUmax

Numero di Nodi

Andamento della BPU al variare del numero dei nodi


Tempo di latenza massimo pereventi asincroni (TLmax)

• Tempo di latenza evento-messaggio

• Ipotesi di priorità massima

• Ipotesi del caso peggiore

• Definizione del tempo di latenza in termini dinumero di messaggi di ritardo

Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza

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Andamento del TLmax al variaredel numero dei nodi

0123456789

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

M as ter /S lave

To ke n R in g

M u l t iM asterA rb i t ragg io 1M u l t iM asterA rb i t ragg io 2

Numero di Nodi

TLmax

Prestazioni dei bus di campo - Tempo di latenza


Costi

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Scegliere un fieldbus è solo unascelta tecnica o è anche unascelta 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 diversesoluzioni fieldbus:

• I componenti elettronici costano poco sesono largamente diffusi sul mercato

• Le royalties sul firmware possono fare ladifferenza

• Concorrenza tra produttori = risparmioassicurato


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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 operativistandard) garantisce prezzi ragionevoli

• Le licenze spesso sono un punto critico



I costi di sviluppo



• Una piattaforma molto diffusa assicurabuoni strumenti di sviluppo a costoaccettabile

• Compatibilità a livello hardware eprotocolli di alto livello abbassanonotevolmente i tempi di sviluppo


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I costi di manutenzione


• Connettori e cablaggi

• Diagnostica automatica dei sistemi


• Strumenti di sviluppo software

• Compatibilità tra hardware di produttoridifferenti



Tempo di obsolescenza ecompatibilità passata e futura

$ %


Tempi di obsolescenza

Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo

• Velocità con cui varia la tecnologia

• Vantaggi che offre una nuova tecnologia

• Difesa degli investimenti fatti

• L’obsolescenza è un fattore meno importantese si mantiene compatibilità con i sitemipassati e futuri


Compatibilità nel tempo

Tempi di obsolescenza e compatibilità nel tempo

• 2 soli fattori sono ‘storicamente’ i piùimportanti nel valutare quanto compatibileresterà un sistema nel tempo:

• Numero di produttori

• Numero di utilizzatori

• Grandi consorzi di produttori e consumatorisono l’unica garanzia per la compatibilità

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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 essereridondata, in modo da garantire il funzionamento del bus inogni circostanza)


Caratteristiche principali dei metodi di accesso

Caratteristicheprincipali

CSMA/CD Token Ring Token Bus Arbiter

Tipo d i accesso Probabilistico Sequenziale Sequenziale Deterministico

Coordinamentodell ’accesso

A collisionirilevate erisolte

A gettoneciclico senzapriorità

A gettone Controllatodall’arbitro

Complessitàdell ’accesso

Bassa Media Alta Elevata

Livell i dipriorità

Nessuno Possibile Presente(fisso)

Presente(variabile)

Velocità dirisposta

Buona/Scarsa(dipende dalcarico)

Buona dipendedal # di nodi

Molto Buonacon livello dipriorità fisso

Ottima conlivello di prioritàvariabile

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