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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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?
RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ?
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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.
RETI DI COMUNICAZIONE: PERCHÉ?
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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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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.
Problematiche di comunicazione nei sistemi diAutomazione
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
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.
Problematiche di comunicazione nei sistemi diAutomazione
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
RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE
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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
RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE
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RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE
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RETI DI COMUNICAZIONE INDUSTRIALE
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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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Il Fieldbus - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabella
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.
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
Il Fieldbus - Corso Reti per Automazione Industriale - Prof. Orazio Mirabella
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
Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 6
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
Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 7
Trasmissione Seriale
Trasmettitore Ricevitore
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
Trasmettitore Ricevitore
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
Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 9
Trasmissione Seriale Asincrona
Trasmettitore Ricevitore
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
Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 13
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
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Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 10
Trasmissione Seriale Sincrona
Trasmettitore Ricevitore
Clock
DataFlag Flag
TRASMISSIONE SERIALE SINCRONA
22Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 15
EIA-232
Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 14
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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Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 2
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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Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 2
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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Anno Accademico 2005/06Lezione 18 Slide 8
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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ESEMPIO: ETHERNET 100BASE-TX
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