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MODULO 5.4 RETI PER L’AUTOMAZIONE

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RETI PER L’AUTOMAZIONE

Docente Federico Tramarin, PhD

Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR-IEIITvia Gradenigo 6/b, Padova email: [email protected] tel: 049 827 7760

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mailto:[email protected]

PROGRAMMA DEL CORSO1)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)

3)Reti di comunicazione di campo • Profibus • CAN (cenni)

4)Real-Time Ethernet

~ 12 ore

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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.

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RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ?

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๏ Reti di comunicazione nel settore dell’automazione eindustriale

➽ quali motivazioni?


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๏ Reti di comunicazione nel settore dell’automazione eindustriale

➽ 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.


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๏ 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

RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE

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Problematiche di comunicazione nei sistemi diAutomazione

• 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

I primi sistemi di controllo furono i “Direct DigitalControl (DDC) in cui il computer controllava direttamente i sistemi di I/O.


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

Direct Digital Control (DDC)

il computer controllava direttamente i sistemi di I/O


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• 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

I primi sistemi di controllo furono i “Direct DigitalControl (DDC) in cui il computer controllava direttamente i sistemi di I/O.


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

Distributed Control Systems (DCS) hanno permesso di realizzare controlli

che includevano diversi loop di regolazione e quindi di gestire sistemi

complessi


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MODELLO SME DI UN AMS• La “Society of Manufacturing Engineers” (SME) ha sviluppato un

modello di AMS che integra le varie aree (factory automation, manufacturing control, manufacturing planning, engineeringdesign) in un architettura che utilizza un Database comune.

Modello Gerarchico

Facility level

Shop level

Cell level

Workstation level

Equipment level

Il modello più usato è l’Advanced Manufacturing Research Facility(AMRF) del National Bureau of Standards.

Le attività all’interno della fabbrica sono suddivise in cinque livellifunzionali


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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

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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)

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INTRODUZIONE AI BUS DI CAMPO FIELDBUS

Un po’ di storia:

๏ 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

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Il Fieldbus - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabella

Evoluzione verso il Fieldbus Tradizionalmente, i dispositivi di campo sono collegati ad una workstation che realizza il controllo di un gruppo di loop di regolazione o a un PLC che controlla un singolo loop di regolazione, mediante collegamenti punto-punto.

junction box4-20 mA Signal

DCSconsole DCS

Controller

Control room

La comunicazione è realizzata con un doppino intrecciato schermato basato su un collegamento “4 ÷ 20 mA current loop”

sensore oattuatore

Generatore dicorrente I

Interruttore

t

I(mA)

4

20

0 1 0

BUS DI CAMPO TRASMISSIONE DATI

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La connessione 4-20 mA (1) Il funzionamento del sistema è semplice: la tensione di uscita di un sensore è prima convertita in una corrente. • 4mA rappresenta il valore zero • 20mA rappresenta l’uscita a fondo scala.

A destinazione, un ricevitore converte la serie 4-20mA di corrente in una tensione che a sua volta può essere ulteriormente elaborata da un computer. Si tratta di una comunicazione analogica poiché il valore della corrente varia in modo continuo fra i 4 e 20 mA.


Evoluzione verso il Fieldbus Tradizionalmente, i dispositivi di campo sono collegati ad una workstation che realizza il controllo di un gruppo di loop di regolazione o a un PLC che controlla un singolo loop di regolazione, mediante collegamenti punto-punto.

junction box4-20 mA Signal

DCSconsole DCS

Controller

Control room

La comunicazione è realizzata con un doppino intrecciato schermato basato su un collegamento “4 ÷ 20 mA current loop”

sensore oattuatore

Generatore dicorrente I

Interruttore

t

I(mA)

4

20

0 1 0


La connessione 4-20 mA (2) Componenti del current loop: • Power Supply: Il current loop usa la corrente continua

poichè l’ampiezza della corrente rappresenta il livello del segnale trasmesso.

• • Ricevitore: è il dispositivo all’altro estremo della linea di

trasmissione e riceve il segnale trasmesso. Poiché è molto più facile misurare una tensione che una corrente, spesso si usa un resistore per rappresentare il ricevitore in un 2-wire current loop.

• Trasmettitore: è il dispositivo usato per trasmettere i dati dal sensore attraverso il two-wire current loop. In un current loop può esserci solo un Trasmettitore. Esso funziona come una resistenza che varia il suo valore in funzione del segnale d’ingresso

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…

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LA CODIFICA DEI DATI

LA TRASMISSIONE IN BANDA BASE

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FRAME, BIT, SEGNALI 😥😫😱

Sul link “fisico” tra i dispositivi si trasmettono segnali codificati

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Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 4

Segnali, bit e trame su un link

• Sono i segnali quelli che fisicamente vengono trasmessi

sul link

Trame

Bit

Segnali

TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO

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Trasmissione Dati

Parallela Seriale

Sincrona Asincrona

TRASMISSIONE PARALLELA

Per ogni “slot” temporale si trasmettono n bit 17


Trasmissione Parallela

• Vengono trasmessi 8 bit contemporaneamente in

ciascuno slot temporale

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

1

0

Trasmettitore Ricevitore

TRASMISSIONE SERIALE

😧😦😧18


Trasmissione Seriale


0 1 0 1 1 0 1 0

Convertitore

Parallelo/SerialeConvertitore

Seriale/Parallelo

TRASMISSIONE SERIALE ASINCRONA

19Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 9

Trasmissione Seriale Asincrona


Intervallo temporale variabile

0 1 0 1 1 0 1 0

Bit diSTART

Bit diSTOP

Intervallo temporale variabile tra trame successive:

notare la differenza con le trame di trasmissione dei

sistemi plesiocroni e sincroni

TRASMISSIONE SERIALE ASINCRONA

20


Trasmissione Seriale Asincrona


Intervallo temporale variabile

0 1 0 1 1 0 1 0

Bit diSTART

Bit diSTOP

Intervallo temporale variabile tra trame successive:

notare la differenza con le trame di trasmissione dei

sistemi plesiocroni e sincroni


Comunicazione Seriale Asincrona

In questo caso il periodo di tempo (time gap)

tra la trasmissione dei due caratteri è nullo

t

Carattere

Successivo

Bit di

Stop

Bit di

Parità

(dispari)

1 0 1 1 1 0 1 0Bit di

Start

Bit di

Start

Carattere

Corrente

Intervallo nullo in questo caso

TRASMISSIONE SERIALE SINCRONA

21


Trasmissione Seriale Sincrona


Clock

DataFlag Flag

TRASMISSIONE SERIALE SINCRONA

22Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 15

EIA-232


Connettore DB25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ITU-T N.-

103104105106107102109

---

122121118114119115141120108

140/110125

111/112113142

EIA LabelAABABBCACBCCABCF---

SCFSCBSBADBSBBDLLSCACD

RL/CGCE

CH/CICIDA

Name-

TxDRxDRTSCTSDSR

-CD---

S-CDS-CTSS- TxDTxClkS- RxDRxClk

LLS-RTSDTR

RL/SQDRI

DSRDTxClkTM

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 DetectRiservato al Test

Riservato al Test

Non assegnato

CD SecondarioCTS SecondarioTxD SecondarioTxClk se stabilito dal DCERxD SecondarioRxClkLocal Loopback

RTS SecondarioData Terminal Ready (DTR)Remote Looback/Signal Quality DetectorRing IndicatorData Signal Rate Detector (DTE o DCE)TxClk se stabilito dal DTETest Mode

DTE (Terminale o Computer) DCE (Modem)Maschio Femmina

12345678910111213141516171819202122232425

Connettore DB-25

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

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CODIFICA DEI DATI: NRZ๏ Esempio:

• “1” logico ➟ segnale con tensione positiva • “0” logico ➟ segnale con tensione negativa

๏ Non-Return to Zero • la più semplice e naturale codifica dei segnali • a volta anche NRZL (L=level)

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Codifica Elettrica

• I segnali si propagano su un mezzo fisico

– modulando onde elettromagnetiche

– variando voltaggi

• I dati binari devono essere codificati in segnali

– esempio: 0 come segnale “basso”, 1 come segnale “alto”

– codifica nota come NRZ (non-Return to Zero)

Dati binari

(bit)

Segnale NRZ

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

NON-RETURN TO ZERO๏ ATTENZIONE ⚠️⚠️⚠️

• la parola “Zero” non indica che il livello del segnale non deve essere nullo. • Infatti, spesso il valore “0” si codifica con 0 V

๏ E’ efficace? • se ho una sequenza di “0” prolungata potrei confonderla con

assenza di segnale, o con problemi sul link • lunghe sequenze di “1” potrebbero spostare la soglia di

riconoscimento (riferimento) dei bit • non è possibile recuperare il clock

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Codifica Elettrica

• I segnali si propagano su un mezzo fisico

– modulando onde elettromagnetiche

– variando voltaggi

• I dati binari devono essere codificati in segnali

– esempio: 0 come segnale “basso”, 1 come segnale “alto”

– codifica nota come NRZ (non-Return to Zero)

Dati binari

(bit)

Segnale NRZ

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

5 V

0 V

NON-RETURN TO ZERO๏ Problemi di sincronizzazione

• Recupero del clock

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Temporizzazione

ClockTx

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

Tx Data

ClockRx

0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0

TxRx

OK NO!

NON-RETURN TO ZERO๏ Unipolare o bipolare

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CODIFICA DEI DATI: NRZ-I๏ Non-Reurn to Zero-Level Inverted

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Lo “0” mantiene il livello del segnale che si aveva in precedenza.

Qual è il pregio di questa codifica?

COSA SIGNIFICA RETURN TO ZERO?๏ Return to Zero-Level

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Ogni bit conclude con un ritorno a 0 V.

3 stati possibili per il segnale.

E la banda del segnale?

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!!

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CODIFICA MANCHESTER๏ transizione Alto-Basso: “1” ๏ transizione Basso-Alto: “0”

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๏ Alcune versioni usano la convenzione opposta ๏ Basso-Alto: “1”, Alto-Basso: “0”

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

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Ne esiste anche una versione differenziale

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

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Usate in Ethernet!!!

ESEMPIO: ETHERNET 100BASE-TX

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