La comunicazione nell

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La comunicazione nell automazione aziendale

• I bus di campo

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La piramide frattale dell automazione
Supervisore di fabbrica
PLC
Bus
Attuatori
Sensori
Attuatori
Sensori
Attuatori
Sensori
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La rete dell automazione
Dati relativi alla sicurezza
Sistema gestionale di fabbrica
Controllore building automation
Supervisore
Informazioni sulla qualità e quantità della
materia prima provenienti dal subfornitore
Comandi manuali per aumento flessibilità
Informazioni sul tipo di lavorazione richiesto
provenienti da altro stabilimento
Richiesta di output da parte della macchina 2
Controllo di macchina
Controllo di macchina
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Il modello ISO/OSI della comunicazione

• Il modello ISO/OSI (International Standard
  Organization/Open System Interconnection) è un
  modello concettuale.
• Permette di definire una architettura gerarchica
  dei sistemi di comunicazione
• I singoli livelli gerarchici possono essere
  oggetto di standardizzazione

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Il modello
Application
Application
Presentation
Presentation
Session
Session
Transport
Transport
Network
Network
Data link
Data link
Physical
Physical
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Lo strato Application
Application
E lo strato più astratto E l unico in cui i
dati vengono considerati per il significato che
hanno In pratica è l ultimo pezzo del programma
applicativo che utilizza i dati e si preoccupa
solo di decidere di inviare o richiedere i dati
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Lo strato Presentation
Organizza i dati logici dell Application in
forma adeguata ad essere trasmessi Analogamente,
organizza i dati ricevuti dalla trasmissione in
forma tale da essere comprensibili dall
Application
Presentation
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Lo strato Session
Gestisce il collegamento logico con la
controparte avvia la sessione di comunicazione,
definisce particolari quali le priorità, ecc.
Session
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Lo strato Transport
Verifica la correttezza e la sicurezza del
trasporto, visto ancora nell ottica del
trasporto dei dati logici. Assicura cioè che
tutti i pacchetti fisici siano spediti/arrivati,
li combina e controlla se ci sono errori,
eventualmente li corregge o rifà/richiede la
trasmissione.
Transport
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Lo strato Network
E il primo stato che gestisce aspetti fisici e
non logici della trasmissione. Definisce e
comunica il percorso fisico di ogni pacchetto di
dati, cosa fare in caso di indisponibilità del
percorso, ecc.
Network
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Lo strato Data Link
Gestisce logicamente il singolo pacchetto
(protocollo, assegnazione della linea, CSMA/CD,
CSMA/CA, Token, satrt e stop bit, ecc.) E lo
strato che opera concretamente la gestione del
canale di comunicazione
Data link
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Lo strato Physical
E lo strato fisico (l hardware) Traduce i bit
in segnali elettrici (o ottici, se è il caso),
pilota la linea, ecc.
Physical
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Un esempio/topologia
Supervisore stabilimento 2
Internet
CED di fabbrica 2
Modem
CED di fabbrica 1
Linea telefonica
Modem
Supervisore stabilimento 1
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Un esempio/la trasmissione
Il software applicativo attiva un segnale del
processo remoto. Il comando viene inoltrato allo
strato inferiore
Application
Viene aggiornata la tabella degli stati dei
segnali che viene periodicamente inviata. La
tabella viene passata allo strato inferiore
Presentation
La trasmissione è la prima da un certo tempo. Ai
dati viene aggiunto un messaggio di avvio
comunicazione ed una richiesta di conferma, e il
tutto va allo strato inferiore.
Session
Aggiunge ai dati un codice di controllo, e li
passa allo strato inferiore
Transport
Aggiunge ai dati gli indirizzi del percorso
(comunicazione attraverso la linea telefonica),
li divide in pacchetti, li numera, li invia uno
alla volta allo strato inferiore
Network
Per ogni pacchetto accede al modem, verifica la
presenza della portante, eventualmente fa il
numero, aspetta il segnale di libero, invia i bit
allo strato inferiore
Data link
Traduce ogni bit in un segnale di tensione,
verifica che non ci siano corti circuiti,
sovraccarichi, ecc.
Physical
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Un esempio/la ricezione
Application
Riceve il comando di variazione di stato. Lo
passa al software di supervisione, che lo esegue
Acquisisce la tabella di stato dei segnali
rileva la variazione, e la comunica allo strato
superiore
Presentation
Rileva da parte dei dati che il messaggio gli
arriva dal trasmittente attiva un processo
specifico per gestirlo (sessione)
Session
Transport
Verifica che il messaggio sia giunto integro,
eventualmente ne chiede la ritrasmissione
Riconosce i pacchetti che costituiscono lo stesso
messaggio, li ordina e li accoda. Li passa allo
strato superiore
Network
Data link
Si accorge che arriva un messaggio distingue i
bit di dati dai bit di controllo. Passa i bit di
dati allo strato superiore
Traduce i segnali elettrici in bit. Verifica l
integrità dell hardware. Passa i bit allo strato
superiore
Physical
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Strato fisico - I mezzi trasmissivi

• Cavo telefonico molto economico, con modem
  distanze anche molto lunghe, ma velocità basse
  pochi kBbyte/s
• Doppino twistato e schermato molto economico, ok
  fino a decine/centinaia di metri e pochi Mbyte/s
• Cavo coassiale più costoso, sia per l acquisto
  che per la posa/connessione, fino a
  centinaia/migliaia di metri e fino a
  decine/centinaia di Mbyte/s
• Fibra ottica molto costosa (un po meno in
  plastica, di più in vetro), induce costi anche
  nell elettronica, assolutamente immune al
  disturbo, ok per migliaia di metri e per
  centinaia di Mbyte/s fino a Gigabyte/s
• Radio/infrarosso mediamente economico (il costo
  delle apparecchiature è compensato dalla poca
  posa), brevi distanze e basse velocità

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Strato fisico - velocità e distanza
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Strato fisico - banda base e banda portante
1
1
0
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Strato fisico - Topologie
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Strato fisico/trasmissione sincrona e asincrona
Trasmissione sincrona
Dati
Clock
Trasmissione asincrona
Sequenza di sincronismo
Dati
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Strato Data Link - L accesso al bus/1

• Master-slave
• Un solo elemento (il master) ha facoltà di
  iniziare la comunicazione, e sceglie di volta in
  volta lo slave a cui si rivolge.
• Lo slave risponde solo quando viene interrogato
• In pratica si realizza logicamente una topologia
  a stella
• Vantaggi determinismo, massima libertà di
  gestione delle priorità
• Svantaggi impossibilità di trasmissioni su
  evento, aumento dell overhead di trasmissione,
  difficoltà di comunicazione tra slave

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Strato Data Link - L accesso al bus/2

• Token passing
• Gli elementi parlano a turno, passandosi l un l
  altro un messaggio abilitazione
  (tokengettone), e accedendo al bus solo quando
  sono in possesso del gettone
• In pratica si realizza logicamente una
  connessione ad anello
• Vantaggi Ogni elemento può comunicare quando
  vuole, e con chi vuole la rete non può
  collassare il max ritardo all accesso è fisso e
  noto
• Svantaggi poca efficienza soprattutto per basso
  numero di dati trasmessi non possibili
  trasmissioni su evento

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Strato Data Link - L accesso al bus/3

• CSMA/CD
• (Carrier sensing multiple access/collision
  detection)
• Ogni elemento ascolta il bus. Quando lo sente
  libero, avvia la comunicazione. Se due lo fanno
  insieme, la collisione viene rilevata, e i due
  ritentano la trasmissione dopo un intervallo
  casuale
• Vantaggi se il bus è libero si ottiene la
  massima efficienza possibile. E possibile il
  colloquio tra tutti gli elementi. E possibile la
  trasmissione su evento
• Svantaggi i ritardi aumentano rapidamente con il
  carico del bus, fino a rendere impossibile la
  trasmissione. Non possibile gestire le priorità

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Strato Data Link - L accesso al bus/4

• CSMA/CA
• (Carrier sensing multiple access/collision
  arbitration)
• Ogni elemento ascolta il bus. Quando lo sente
  libero, avvia la comunicazione. Se due lo fanno
  insieme, un meccanismo di arbitrazione permette
  ad una sola trasmissione di continuare
• Vantaggi Gli stessi del precedente, con un
  aumento dell efficienza, ed una salvaguardia
  delle priorità
• Svantaggi gli stessi del precedente

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Strato Data Link - L accesso al bus/5

• Il meccanismo di arbitrazione
• L accesso elettrico al bus crea di fatto un OR
  logico.
• I messaggi cominciano con una stringa che indica
  la priorità.
• Quando due messaggi vanno in conflitto, quello
  con priorità più bassa è il primo a rilevare il
  conflitto, e si ritira prima dell altro.
• Es.

Il secondo rileva il conflitto e sospende la
trasmissione
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Strato Data Link - Il CRC

• CRC Cyclic Redundancy Code
• Si ottiene shiftando e sommando i bit del
  messaggio
• Il risultato ha una probabilità estremamente
  bassa di essere invariante rispetto agli errori
  di trasmissione
• La scelta dell algoritmo dipende dal fatto che
  lo shift e la somma binaria (XOR) sono istruzioni
  primitive molto rapide dei microprocessori, e
  possono addirittura essere fatte via hardware
• 00 0 011 101 110 ( overflow)

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Strato Network - Bridge e Router
Rete 2
Rete 1
Bridge / Router
Rete 3
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TCP/IP (Internet)

• TCP/IP standard sviluppato dalle Forze Armate
  USA per la interconnessione di eti
• Nato prima che il modello ISO/OSI si affermasse,
  non lo segue ma a conferma della sua validità,
  ci assomiglia molto
• Copre le funzionalità di tutti i livelli, e
  permette la connessione di sistemi basati in reti
  diverse connesse attraverso ulteriori reti
• Su di esso è basata Internet
• Internet di fatto rende completamente trasparente
  all utente tutto ciò che riguarda la connessione

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I bus di campo

• I bus di campo sono una implementazione delle
  comunicazioni estremamente importanti nella
  tecnica dell automazione
• Si collocano alla base della piramide dell
  automazione, e offrono un alternativa
  estremamente efficace ai cablaggi punto a punto
• Ne esistono vari, dotati di caratteristiche
  tecniche diverse, che li rendono adatti ad
  applicazioni diverse
• Si parla da anni di una unificazione e di una
  standardizzazione, ma la realtà delle cose spinge
  in altre direzioni
• Bus sbarra
• Concetto di bus di campo aperto

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Bus di campo aperti sguardo di insieme
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Profibus (Process Field Bus)

• Strato fisico RS485 - Esiste versione in f.o
• Topologia lineare
• Token passing tra master, master-slave tra i
  master e gli slave
• Velocità di trasmissione fino a 12 Mbit/s
• Esiste in varie implementazioni del livello 7. La
  più complessa è Profibus FMS, la più diffusa
  Profibus DP Profibus PA è per l automazione di
  processo)
• Implementazione su chip appositi

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Profibus - Protocollo
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Profibus - Applicazioni e commenti

• Sufficientemente complesso, flessibile e
  strutturato da realizzare, volendo, un sistema di
  controllo distribuito
• Molto diffuso, soprattutto per realizzare
  periferia decentrata
• In grado di gestire efficacemente slave
  intelligenti
• Non è in grado di gestire comunicazioni
  deterministiche, ma è in preparazione una
  versione sincrona (Profibus MC)
• Utilizzato in pratica in tutte le applicazioni di
  automazione, sia macchine che impianti, da una
  certa complessità in su

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P-net

• Origine danese
• Strato fisico RS-485
• Topologia ad anello, con possibilità di gateway
• Accesso al bus Token Passing tra master,
  master-slave tra master e slave
• Implementazione su controllori general-purpose
• Molto poco diffuso

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CAN-Bus (Controller Area Network)

• Nato dalla Bosch per il settore automobilistico
• Strato fisico una versione modificata dell
  RS485
• Topologia lineare
• Accesso al bus CSMA/CA (occorre curare le
  identificazioni dei master)
• Limitate funzionalità master-slave
• Throughput lordo 1 Mbit/s
• Max 64 nodi per segmento di bus (esistono
  repeater)
• Implementazione su chip appositi
• Costo relativamente basso

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CANBus - Protocollo
Richiesta trasmissione
Bytes di controllo
Dati ...(fino a 8) ..
Lunghezza
Start Byte
Identificatore
End Byte
Byte di verifica
End byte della verifica
Byte di Ack
End byte dell Ack
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CANbus - Applicazioni e commenti

• Gradito per il basso costo, a sua volta dovuto ai
  grandi numeri generati dal applicazione nel
  mercato dell auto
• Non adatto a comunicazioni tra master, per il
  basso numero di dati contenuti nel messaggio
• Non adatto ad applicazioni in tempo reale
  stretto, per la mancanza di sincronismo e per la
  bassa velocità di trasmissione
• Ha una certa diffusione l implementazione Device
  Net

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LON

• Proposto dalla Echelon americana
• Strato fisico qualunque, utilizzando l
  opportuno transceiver
• Accesso al bus CSMA/CD
• Sottoreti fino a 128 nodi, con router fino a
  32.000 nodi
• Velocità di trasmissione fino a 1,25 Mbit/s, ma
  limitata dai mezzi trasmissivi
• Protocollo molto sofisticato, perché copre i 7
  livelli ISO/OSI
• Implementazione mediante chip appositi e adeguato
  ambiente di sviluppo

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LON - Applicazioni e commenti

• Adatto ad applicazioni di supervisione e
  telecontollo
• Adatto ad ambienti particolari (trasmissioni
  radio, su cavo di potenza, su infrarosso, ecc.)
• Non adatto a processi in tempo reale
• Non adatto a gestire periferia decentrata
• Adatto ad applicazioni verso il vertice della
  piramide dell automazione
• Adatto ad alcune applicazioni particolari di
  building automation

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ASI (Actuator Sensor Interface)

• Strato fisico doppino non schermato
• Accesso al bus Master 31 slave
• Alimentazione degli slave e dati sullo stesso
  cavo
• Lunghezza max 100 m
• Velocità max 167 kbit/s

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ASI - Protocollo
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Bitbus e FIP

• Bitbus introdotto da Intel nel 1984 ha come
  caratteristica interessante il fatto che i chip
  sono programmabili, con un apposito sistema
  operativo, il che consente una certa flessibilità
  locale
• FIP sofisticato, permette una architettura con
  intelligenza distribuita ma ha una diffusione
  molto limitata

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Interbus-S

• Introdotto dalla Phoenix Contact
• Topologia ad anello
• Il messaggio è unico, ed ogni slave inserisce i
  propri dati nello slot temporale a lui assegnato
• La trasmissione è sincrona
• Il sistema è molto adatto alla comunicazione con
  periferia decentrata
• I tempi di risposta sono rapidi per pochi dati, e
  deterministici

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SERCOS (Serial Real Time Comunication System)

• Strato fisico fibra ottica
• Topologia anello, con rigenerazione del segnale
• Accesso al bus deterministico, con assegnazione
  di slot temporali
• Max numero di nodi 245
• Max velocità di trasmissione 8 Mbit/s
• Max distanza indefinita, fino a 250 m tra slave
  e slave
• Molto adatto a applicazioni real-time, come la
  gestione del Motion Control degli azionamenti.
• Molto costoso

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La tendenza

• La crescita esponenziale delle prestazioni delle
  interfacce general purpose (Ethernet, ecc.), e la
  contemporanea diminuzione del prezzo, sta
  introducendo una tendenza all utilizzo di queste
  ultime, che compensano con l eccesso di
  prestazioni e i bassi costi il fatto di non
  essere concettualmente adatte all impiego in
  automazione
• Contemporaneamente resta una ampia fascia di
  applicazioni per le quali il fatto di essere
  aperto non costituisce un pregio particolare per
  il bus in questi casi resistono, e resisteranno,
  soluzioni proprietarie ottimizzate per costo e
  prestazioni (ad esempio il Simolink della Siemens