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I bus di camponell’automazione industriale
Fabio Giorgi
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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
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• 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
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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
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•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
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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?
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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
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Terminologia
Mezzo trasmissivoNodoMessaggioModalità MasterModalità SlaveArbitraggio dei conflitti
Nodo 1 Nodo 2 Nodo N
Alcuni concetti di base:
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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
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Topologia delle reti
Node2
Node1
Node5
Node7
Node4
Node3
Node6
Rete ad anello
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Topologia delle reti
Node2
Node1
Node5Node0
Node4
Node3
Node6Node8
Node7
Rete a stella
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Topologia delle reti
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
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I bus di campo nei controlli distribuiti
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
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Metodi di accesso al bus
Le tre architetture principali
• Master/Slave• Token Ring• Multimaster
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Metodi di accesso al bus
Architettura Master/Slave
• Un solo nodo Master• Tutti gli altri nodi Slave• Strategia di arbitraggio non necessaria
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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
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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
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
Banda passante utile
• Banda passante del mezzo trasmissivo• Banda passante utile (BPU)
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
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
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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
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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Prestazioni dei bus di campo - Banda passante
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
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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
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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
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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
Costi di un sistema bus di campo
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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
Costi di un sistema bus di campo
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I costi di sviluppo
• Differenze rispetto alle soluzioni non fieldbus
• Differenze tra due diverse soluzioni fieldbus:
• Una piattaforma molto diffusa assicurabuoni strumenti di sviluppo a costoaccettabile
• Compatibilità a livello hardware eprotocolli di alto livello abbassanonotevolmente i tempi di sviluppo
Costi di un sistema bus di campo
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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 produttoridifferenti
Costi di un sistema bus di campo
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Tempo di obsolescenza ecompatibilità passata e futura
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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
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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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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 essereridondata, in modo da garantire il funzionamento del bus inogni circostanza)
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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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