Appunti Reti dati

PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE

Implementazione e supporto dei sistemi di produzione e IT negli stabilimenti di produzione globali.

• Migliorare la risposta agli eventi che si verificano a livello di stabilimento, indipendentemente dalla posizione.
• I produttori di sistemi di controllo dell'automazione industriale (IACS) non raggiungono attualmente questi obiettivi.

La fabbrica intelligente è un sistema flessibile in grado di auto-ottimizzare le prestazioni attraverso una rete più ampia, auto-adattarsi e apprendere da nuove condizioni in tempo reale o quasi reale e gestire in modo autonomo interi processi di produzione.

I benefici di una smart factory sono:

• Realizzare significativi risparmi sui costi
• Semplificare la manutenzione
• Aumentare l'efficienza
• Migliorare la flessibilità

Networking requisiti: scalabilità, convergenza, sicurezza, performance, topologie flessibili, bassa latenza. Per rilevare e agire nell'automazione, i messaggi ethernet devono arrivare in tempo.

Networking per applicazioni industriali: Device e Sensor Level spesso vengono raggruppati insieme.

Enterprise Level -> attività di Gestione ed iterazione fra le varie fasi della produzione

Control Level -> Supervisione e monitoraggio

Device Level -> Dispositivi di automazione (regolatori, controllori, ..., HMI locali)

Sensor Level -> Processi da controllare e sensori

Caratteristiche della comunicazione

Cosa cambia rispetto alle comunicazioni usate comunemente nell'Information Technology a livello Office o domestico?

L'ambiente di utilizzo è più gravoso: condizioni ambientali, temperature di esercizio, disturbi radio e EMC generati dai dispositivi di potenza, Drive Motori Brusheless, Motori Asincroni comandati da inverter, valvole e solenoidi, creano un ambiente avverso alle comunicazioni dati. Altra grossa differenza è che le comunicazioni Office/Home non nascono come protocollo deterministico. I dati trasmessi se non corretti vengono ritrasmessi.

La comunicazione dati avviene con tempi variabili, e questo non costituisce una criticità. Per le comunicazioni industriali invece, è necessario un protocollo deterministico, queste comunicazioni vengono definite Real-Time. A Livello Enterprise la comunicazione può utilizzare i classici protocolli Office/Home.

In una comunicazione tra task real-time:

• È possibile avere messaggi periodici
• Generati o utilizzati da task periodici (es. letture sensori, comandi di controllo attuatori)
• È possibile avere messaggi aperiodici
• Generati o utilizzati da task aperiodici (es. comandi operatore)
• È possibile avere messaggi sporadici
• Generati da task aperiodici con vincoli fortemente real-time (es. Allarmi)
• È necessario ridurre:
• Missed packet: pacchetti non arrivati in tempo
• Lost packet: pacchetti persi
• Delay: ritardo di comunicazione

Serial data communications -> il sistema di comunicazione può essere costituito da:

• il DTE un

terminale per l'invio di dati come un computer che è la fonte dei dati.

Il DCE che funge da convertitore dei dati per convertire il segnale in una forma adatta per il collegamento di comunicazione.

Lo standard dell'interfaccia RS-232C descrive l'interfaccia tra un terminale DTE e un modem DCE per il trasferimento di cifre binarie seriali. Con il tempo questo standard è stato adattato a altri tipi di apparecchiature. Uno standard di interfaccia definisce i dettagli elettrici e meccanici che consentono il collegamento e la comunicazione di apparecchiature di diversi produttori. RS-232, RS-449, RS-423, RS-422 ecc.

Ci sono numerosi tipi di trasmissione, half duplex, simplex, full duplex, bilanciata e non, ecc. La linea di trasmissione bilanciata consente una maggiore velocità di trasferimento dei dati su distanze maggiori. Il metodo differenziale di trasferimento dei dati è preferibile nelle applicazioni industriali in cui il rumore può essere

un problema importante. Lo svantaggio è che un sistema bilanciato richiede due conduttori per ogni segnale. La trasmissione sbilanciata viene utilizzata nelle interfacce RS-232 e RS-423.

Riduzione dell'architettura ISO/OSI

La struttura con 7 livelli del modello OSI è tipicamente troppo onerosa per applicazioni real-time. Overhead eccessivo, anche considerando che le dimensioni dei singoli messaggi sono tipicamente piccole. Molti servizi dei livelli intermedi non sono necessari. Grande attenzione ai metodi di accesso al mezzo trasmissivo (MAC) che impattano sulle caratteristiche temporali dei messaggi scambiati.

Quindi possiamo eliminare 4 livelli, rimangono il livello fisico, quello datalink e l'applicativo.

Livello fisico-> Il mezzo, la modulazione e la topologia di comunicazione determinano le qualità della trasmissione: Velocità, Distanza, Immunità ai disturbi. I più comuni mezzi di comunicazione sono:

• Wired-

Coppie di fili intrecciati– Cavi coassiali– Fibre ottiche• Wireless

Onde radio / EM

Data link layer-> Questo strato determina i metodi di accesso alla rete Master-Slave(Polling), Token Bus/Ring, Random Access:

Nel caso Master-Slave, un nodo (Master) decide chi deve occupare il canale e quindi• interroga gli altri nodi (Slave) quando vuole sapere un’informazione

Nel caso Token Bus/Ring, tutti i nodi sono paritetici, con un ordine definito possono• occupare il canale

Nel caso Random Access, tutti i nodi sono paritetici, nessun ordine definito per• occupare il canale gestione delle collisioni. Per tali metodi è possibile effettuareun’ulteriore distinzione: CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detecte CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access Collission Avoidance. 23Il primo:

 No controllo prima della trasmissione

 Semplice da realizzare

 Vanno gestite le collisioni

 Ok per trasmissioni wired

Il secondo:

 Controllo

• Collisioni evitate (prima di trasmettere)
• Più complesso
• Risparmio energetico
• Ok per trasmissioni wireless

• Client-Server, Producer-Consumer,Tipo di traffico, Sistema aperto e profilo

• Ciclico: i dati sono aggiornati con periodicità ciclica. (es. i dati di processo, sono composti da basse quantità di informazioni aggiornate frequentemente).
• Aciclico: i dati sono aggiornati da una richiesta o da un evento. (es. i dati di configurazione e diagnostica, sono composti da molte informazioni senza una scansione)

Un sistema è definito aperto se permette la comunicazione fra diversi device (Interoperable) e la sostituzione di un device con un altro (Interchangeable).

Necessaria aderenza alle specifiche di un protocollo o la sostituzione di un device con un altro (Interchangeable).

Necessaria aderenza alle specifiche di un profilo.

Il profilo è la descrizione delle funzioni del componente:

• Identificazione: Nome, Ref, Vers., famiglia, azienda produttrice
• Caratteristiche della comunicazione: velocità supportate, tipo e dimensione dei messaggi
• Caratteristiche relative all'applicazione: Variabili che possono essere disponibili in write e in read mode.
• Formato dei file o dei supporti: EDS file, GSD file, etc.

Protocolli di networking per applicazioni industriali:

• Asi
• Devicenet
• CANopen
• Profibus
• Modbus
• ProfiNet

ASI->AS-Interface (interfaccia sensore-attuatore) è una soluzione di rete industriale (livello fisico, metodo di accesso ai dati e protocollo) utilizzata in sistemi temporale).

• controllo del convogliatore
• macchine per il confezionamento
• valvole di controllo del processo
• impianti di imbottigliamento
• sistemi di distribuzione elettrica
• caroselli per i bagagli aeroportuali
• ascensori
• linee di imbottigliamento
• linee di produzione

Il controllore a logica programmabile (in inglese programmable logic controller, PLC) è un computer per l'industria specializzato in origine nella gestione o controllo dei processi industriali. Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e diretti agli attuatori presenti in un impianto industriale. Un PLC è un oggetto hardware componibile. La caratteristica principale è la sua robustezza estrema; infatti normalmente il PLC è posto in quadri elettrici in ambienti rumorosi, con molte interferenze elettriche, con temperature elevate o con grande umidità.