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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Reti industriali
Parte II
ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Scenario Industriale
ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Bus di campo (FieldBus)
Utilizzati per la comunicazione a livello di cella e al livello di
sensori/attuatori
 Dai protocolli proprietari su RS485 (’80) alla definizione di
standard di uso generale (’90)
 Principali requisiti:

◦ GESTIONE MESSAGGI
 Aspetti architetturali (singolo master, multi-master, politica d’accesso,..)
 capacità di trasmissione adeguata (numero dati per messaggio)
 garanzia dei tempi massimi di trasmissione (Real Time)
◦ SICUREZZA DEL SISTEMA
 protezione rispetto alla propagazione del guasto
 protezione all’integrità dell’informazione (codici di controllo e/o
correzione)
◦ REQUISITI TECNOLOGICI
 Compatibilità verso altri sistemi di comunicazione e/o infrastrutture
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Architettura a bus di campo

Caratteristiche
◦ Architettura a bus
◦ Trasmissione digitale dei segnali
◦ Strumenti intelligenti

Vantaggi
◦
◦
◦
◦
◦
◦

Risparmio sui costi di cablaggio e installazione
Facilità di aggiunta o rimozione dei dispositivi
Riduzione degli errori d’installazione
Condivisione delle risorse
Tolleranza ai guasti
Flessibilità
Svantaggi
◦ Problemi di interoperabilità tra sistemi diversi
◦ Difficoltà di applicazione in aree pericolose
◦ Sconvolgimento delle di progettazione
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
IEC 61158

Le specifiche chiave per bus di
campo sono incluse nello
standard IEC 61158
I servizi e i protocolli di comunicazione
previsti per il Bus di Campo IEC 61158
sono raggruppati in tre livelli principali,
ciascuno dei quali è definito da uno o più
documenti.
IEC 61158.7

Livello System & Network Management
Livello Application
IEC 61158.5-6
Livello Data Link
IEC 61158.3-4
Livello Physical
IEC 61158.2
◦ Il livello più alto è quello Application definito dal documento IEC
61158.5 per quanto riguarda i servizi e dal documento IEC 61158.6 per
il protocollo.
◦ Sotto di esso vi è il livello Data Link definito dai documenti IEC 61158.3
e IEC 61158.4 per quanto riguarda i servizi e il protocollo
rispettivamente.
◦ Sotto ancora vi è il livello Physical, definito dal documento IEC 61158.2.
◦ Un livello di System & Network Management supervisiona l’intera pila
di comunicazione. Il documento di definizione di tale livello ha la sigla
IEC 61158.7
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Reti industriali
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI)
Tecnologia aperta supportata da una moltitudine di fornitori
 Bus di campo dedicato a sensori e attuatori “binari”
(Sensor/Actuator level)
 AS-Interface è un sistema che richiede quattro
componenti fondamentali:

◦ Un master di rete, nella maggior parte dei casi nella forma di un
gateway di una rete di più alto livello industriale o di una scheda
PLC
◦ Un certo numero di dispositivi slave, nella maggior parte dei casi
di moduli di Input/Output
◦ Un alimentatore utilizzato per alimentare gli slave consentendo
in tal modo la comunicazione con il master di rete
◦ L'infrastruttura di cablaggio, nella maggior parte dei casi è
realizzata mediante il cavo piatto giallo
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI)
Architettura
Master/Slave (Monomaster)
Alimentazione
24V DC
Mezzo trasmissivo
Doppino non schermato
Topologia
Albero
Max Lunghezza segmento
100m senza ripet., 300m con ripet.
Max Numero di nodi
31 nella v 2.0, 62 nella v 2.1
Data Rate
5 ms per interrogare 31 nodi, 10 ms
per 62 nodi
Error Detection
Realizzata dal master
Operazioni master/slave
Il master interroga ogni slave
sequenzialmente e attende la
risposta
Inserzione/disinserzione slave a caldo Supportata
Operazioni multimaster
Non Supportata
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Interfaccia ASI
D0 = sensor 1
one connection
D1 = sensor 2
D2 = actuator 1
1 module
enclosure
controller
ASInterface
Slave IC
D3 = actuator 2
P0 Watchdog
energy
ma s ter
To Slave 1
To Slave 2
Slave 1
Slave 2
To Slave 31
Slave 31
up to 4
sensors
or/and
4 actuators
To Slave 1
Slave 1
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
ACTUATOR SENSOR INTERFACE (ASI)

AS-Interface è un sistema che richiede
quattro componenti fondamentali:
◦ Un master di rete, nella maggior parte dei casi
nella forma di un gateway di una rete di più alto
livello industriale o di una scheda PLC
◦ Un certo numero di dispositivi slave, nella
maggior parte dei casi di moduli di Input/Output
◦ Un alimentatore utilizzato per alimentare gli slave
consentendo in tal modo la comunicazione con il
master di rete
◦ L'infrastruttura di cablaggio, nella maggior parte
dei casi è realizzata mediante il cavo piatto giallo
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus


Profibus è l'acronimo di Process Field Bus. Si tratta di un bus di
campo (field bus) messo a punto nel 1989 da un consorzio di
diverse aziende tra le quali Siemens. Le sue applicazioni sono nel
campo dell'automazione industriale e di processo.
Esiste nelle varianti
◦ DP (Decentralized Peripherals): è responsabile della comunicazione tra
il livello di controllo di un sistema di controllo automatico (PLC) e
dispositivi decentralizzati di campo. Una delle principali caratteristiche
di PROFIBUS DP è la sua alta velocità di trasmissione fino a 12 Mbit/s.
Il mezzo trasmissivo può essere il doppino intrecciato (RS-485) o la
fibra ottica a seconda delle necessità.
◦ PA (Process Automation): è stato sviluppato per l’automazione dei
processi. Comunicazione e alimentazioneTransmitter sono gestite su un
unico cavo a due conduttori corrispondente allo standard IEC 61158-2
(anche noto come MBP – Manchester coded Bus Powered).
Intrinsecamente sicuro può essere utilizzato in zone pericolose (rischio
di esplosione, …)
◦ FMS(Fieldbus Message Specification): sviluppato per gestire la
comunicazione tra dispositivi intelligenti normalmente al livello di
controllo, fornisce all’utente una ricca varietà di funzioni. Recentemente
rimpiazzata da tecnologie basate su ethernet
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus

Tutte le varianti PROFIBUS sono basate sul
modello OSI (in accordo con lo standard
internazionale ISO 7498). A causa dei requisiti
del fieldbus, solo i livelli 1, 2 e7 sono stati
implementati per ragioni di efficienza.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus (Livello fisico)
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus DP (Livello data-link)
La contesa sull'accesso al mezzo fisico è gestita
unicamente dai Master, tramite un meccanismo di
passaggio di token (token passing)
 Solo il master che possiede il token può
interrogare gli slave

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profibus DP

L’aggiunta di nuove funzionalità di alto
livello ha portato a definire 3 versioni
della variante DP. In particolare:
◦ DP-V0 (1993): scambio ciclico dei dati (tra
master e slave) e diagnostica;
◦ DP-V1 (1997): scambio ciclico e aciclico dei
dati (tra master e slave) e gestione degli
allarmi
◦ DP-V2 (2002): scambio dati slave-to-slave in
modalità broadcast con ciclo di bus isocrono.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN
Nel 1986 la Bosch, su richiesta del gruppo Mercedes e BMW,
cercò di risolvere gran parte dei problemi che si
riscontravano nella diffusione delle informazioni tra i sempre
più numerosi dispositivi elettronici presenti all’interno di
un’autovettura (air conditioning control, antiblock braking
system, traction control etc.).
 Fu così che nacque il
protocollo di rete
CAN (1.0)
 Progettato specificamente
per il campo
dell’automotive trova oggi
applicazione anche nel campo
dell’automazione industriale

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN
• Il CAN (acronimo di Controller Area Network)
è un protocollo di comunicazione seriale che
assicura un elevato livello di sicurezza per controlli
real-time.
• Il suo dominio applicativo spazia dalle reti ad alta
velocità fino ad impianti elettronici di basso
costo.
• Nel campo dell’automazione industriale motori,
sensori e numerosi altri dispositivi elettronici
sono connessi tramite CAN (con bit rate fino a 1
Mbit/s).
ELEMENTI DI INFORMATICA UFC_05
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN




Allo scopo di ottenere un
modello trasparente ed
un’implementazione flessibile,
si potrebbe inquadrare il
protocollo CAN in 3
differenti livelli:
il livello di OGGETTO
il livello di TRASFERIMENTO
il livello FISICO
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN




Ai primi due livelli (livello di OGGETTO e di
TRASFERIMENTO) sono associati tutti i servizi e le funzioni del
livello DATA-LINK definito nel modello ISO/OSI.
Lo scopo principale del livello DATA-LINK è di trasformare una
trasmissione grezza in una linea per il livello superiore che appaia
libera da errori di trasmissione non segnalati.
Visto che il livello FISICO accetta e trasmette sequenze di bit
senza far riferimento al loro significato o alla loro struttura, è
compito del livello data-link creare e riconoscere i limiti dei
pacchetti.
Il livello di OGGETTO è in grado inoltre di:
◦ capire quali messaggi sono stati trasmessi
◦ decidere quali messaggi ricevuti dal livello di trasferimento vanno
processati
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN

Il cavo trasmissivo è un doppino intrecciato
(schermato o no a seconda delle applicazioni)
terminato con impedenze di valore pari a 120Ω.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN – Livello Fisico
Ogni nodo di una rete CAN è composto da 3 parti
principali:
 TRANSCEIVER:
◦ alimentato tipicamente a 5V, rileva lo stato
del bus valutando la differenza di tensione
tra le due linee CAN_H e CAN_L.
◦ ∆ < 0.5 V – stato DOMINANTE
◦ ∆ > 0.9 V - stato RECESSIVO
◦ Interfaccia il Controllore CAN con il BUS

CAN CONTROLLER:
◦ trasmette e riceve dati via seriale al transceiver
e comunica col microcontrollore.

MICROCONTROLLORE:
◦ gestisce le operazioni che deve svolgere il nodo.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN
Un nodo CAN non usa informazioni sulla
configurazione del sistema.
 Possono essere aggiunti nodi senza che vengano
richiesti cambiamenti a livello hardware o
software (flessibilità del sistema);
 Il contenuto dei messaggi è caratterizzato da un
identificatore che non indica l’indirizzo di
destinazione del pacchetto ma descrive
semplicemente quanto vi è contenuto, affinché
tutti i nodi della rete siano in grado di decidere
attraverso il filtraggio del messaggio se
“appropriarsene” o meno;

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CAN – Accesso al canale
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
Acces with Collision Avoidance).
 Quando il bus è libero ogni unità è
abilitata a trasmettere informazioni
(multimaster).
 Solo l’unità a cui è associato il messaggio
con priorità più alta si guadagna l’accesso
al canale.

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
CANOpen



CANOpen specifica il protocollo di livello più alto ed è basato sul
bus CAN. Transmission of time-critical process data according to
the producer consumer
La rete CANopen è basata su una struttura master/slave per la
gestione del bus ed è costituita da un master e da uno o più slave.
Il master esegue le funzioni seguenti:
◦ inizializzazione degli slave,
◦ supervisione degli slave,
◦ inoltro delle informazioni di stato sugli slave. principle
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Industrial Ethernet
Per Industrial Ethernet (IE). S’intende l’uso delle
tecnologie ethernet in ambiti industriali quali automazione e
controllo dei processi.
 Un certo numero di tecniche e accorgimenti sono utilizzati
per adattare Ethernet alle esigenze dei processi industriali,
che richiedono spesso risposte in tempo reale.
 Usando tecnologie Ethernet standard, sistemi di automazione
di diversi produttori possono essere interconnessi tra loro.
Industrial Ethernet trae vantaggio dal largo mercato del
computer networking per ridurre I costi e migliorare le
performance di comunicazione tra I controllori industriali.
 I componenti IE usati negli impianti industriali devono essere
progettati per funzionare in ambienti difficili con temperature
extreme, alta umidità, vibrazioni, …di molto superiori ai
normali ranges riscontrabili in uffici o altri ambienti
controllati.

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Industrial Ethernet

Vantaggi
◦ Maggiore velocità (ad es. Da 9.6 kbit/s with RS-232 a 1 Gbit/s with Gigabit
Ethernet)
◦ Maggiori lunghezze
◦ Possibilità di usare cavi access points, routers, switches standard, which are
enormemente più convenienti degli equivalenti dispositivi che usano le porte
seriali.
◦ L’architettura Peer-to-peer può sostituire quella master-slave tipica dei fieldbus
◦ Migliore interoperabilità tra dispositivi di produttori diversi

Maggiori difficoltà nell’uso di Industrial Ethernet
◦ Migrazione da protocolli esistenti a nuovi protocolli (esistono numerosi
dattatori)
◦ La necessita di risposte Real-time può soffrire la necessità di usare il TCP come
protocollo di trasporto (infatti alcuni prot. usano UDP and protocolli del livello
2 per questa ragione)
◦ Gestire l’intero stack TCP/IP è molto più complesso che semplicemente
inviare/ricevere dati seriali
◦ La dimensione minima del frame Fast Ethernet che include dello spazio interframe è circa 80 bytes, mentre la dimensione tipica nelle comunicazioni
indusrialli oscilla tra 1 e 8 bytes. Questo spesso si traduce in una efficienza di
trasmissione dati inferiore al 5%, annullando i vantaggi del bitrate più alto.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Classificazione IE

A seconda dei costi e della necessità di risposte di
tipo Real-Time, le tecnologie IE, possono essere
raggruppate in 3 diverse classi:
◦ Classe A: usa hardware ethernet non modificato e lo
stack tcp/ip per i processi di comunicazione.
◦ Classe B: usa hardware ethernet non modificato,
non usa lo stack tcp/ip ma un protocollo dedicato
(Process Data Protocol) trasportato direttamente nel
frame ethernet.
◦ Classe C: ottiene limiti prestazionali migliori grazie
all’uso di hardware modificato (dedicato) almeno per
quanto riguarda i dispositivi slave.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Classe A



Le tecnologie di classe A utilizzano un approccio di tipo “best effort”
(attenzione alla rapidità di consegna non agli errori di trasmissione)
Risente comunque di ritardi non predicibili dovuti a componenti come gli
switches e traffico sulla rete.
Il più grande ostacolo all’ottenimento di performance real-time è dovuto
però a ritardi nell’attraversamento dei livelli 3 e 4 (TCP/UDP e IP)
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Classe B
Il miglioramento delle prestazioni è ottenuto attraverso
l’inserimento di un protocollo dedicato che opera
parallelamente al TCP/UDP e IP
 Questi protocolli sono ancora utilizzabili ma il loro accesso
alla rete ethernet è regolamentato da quello che può essere
considerato un livello di temporizzazione (Timing Layer)

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Classe C

Anche in questo caso lo stack tcp/ip può
accedere alla rete ethernet attraverso un
time-layer
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet

Nasce dall’esigenza di coordinare varie celle tra
loro e di collegarle con le reti Intranet e Internet
dell’azienda per gestire i processi di produzione e
garantire servizio e manutenzione in remoto

Sviluppata da Profibus principalmente per far
interagire segmenti separati di bus di campo
attraverso Ethernet e collegarli ai sistemi di
gestione dell’azienda secondo una struttura
rigorosamente gerarchica

ProfiNet permette l’interazione tra oggetti remoti
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet

3 varianti
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet
Non viene più utilizzato il modello Master/Slave,
ma il modello Producer/Consumer
 Uno dei nodi è l’arbitro della rete; vengono
identificati i nodi che sono produttori di un certo
tipo di informazioni ed i nodi che ne sono
consumatori.
 L’arbitro della rete, piuttosto che abilitare o meno
i singoli nodi alla trasmissione, consente la
comunicazione di una certa trasmissione,
implicitamente abilitando il suo produttore a
trasmetterla ed i suoi consumatori a riceverla

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet
La rete PROFInet distingue tra tre tipi
diversi di periferiche IO
 IO-Controller: dispositivo che controlla
le operazioni di automazione
 IO-Device: dispositivo di campo
monitorato e gestito dall’IO-Controller
 IO-Supervisor: sono software
(solitamente su PC) per settaggio di
parametri e diagnostica degli IO-Device

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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet - comunicazioni

La comunicazione in profinet presenta 3
livelli di prestazioni:
◦ TCP, UDP e IP per i dati non critici rispetto al
tempo, come assegnamento di parametri e
configurazione.
◦ (Soft) Real Time per dati di processo critici
rispetto al tempo; utilizzata nel campo
dell’automazione aziendale.
◦ IRT (Isochronous Real Time) per particolari
applicazioni di motion control.
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TECNICO SUPERIORE PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Profinet IRT
Il minimo tempo di ciclo è determinato dalla necessità di includere il
generico traffico TCP/IP in uno slot largo abbastanza da saturare il frame
ethernet
 Questo approccio conduce a una utilizzazione della banda non ottimale
poiché sebbene molte applicazioni hanno sporadiche comunicazioni TCP/IP,
la banda rimane disponibile per questo tipo di traffico

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