Reti di comunicazione industriali Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e...

s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 1

Reti di comunicazione

industriali S. Vitturi IEIIT-CNR Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università di Padova Via Gradenigo 6/B 35131 Padova [email protected]


Programma delle Lezioni

Lezione di Lunedì 17 Febbraio Alcuni cenni sui controllori logici programmabili (PLC)

Sistemi di comunicazione usati in ambienti industriali;

Cenni sull’architettura delle reti di comunicazione;

Modello di riferimento ISO/OSI;

Alcuni esempi di reti di comunicazione di campo: - DeviceNet; - Controller Area Network (CAN); - WorldFIP;

Reti di comunicazione di campo specifiche per il collegamento di azionamenti elettrici:

- La rete Sercos

La rete di comunicazione di campo Profibus: - Descrizione; - Profibus FMS; - Profibus PA.

Lezione di Lunedì 24 Febbraio

La rete di comunicazione di campo Profibus DP: - Funzionamento; - Descrizione dei messaggi di Parametrizzazione, Configurazione e Diagnostica; - Tempi di risposta di reti Profibus DP; - Funzioni DP estese; - ASIC per la realizzazione di dispositivi conformi allo standard. - Profilo di Profibus DP per il collegamento di azionamenti elettrici

Prove pratiche su Profibus DP - Configurazione di una rete di prova - Collegamento di un inverter alla rete di prova;

- Start-up della rete di prova; - Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e slave; - Variazione del riferimento di velocità dell’inverter tramite la rete - Acquisizione dei parametri di funzionamento dell’inverter

- Esempi di lettura dei messaggi diagnostici degli slave.


CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI (PLC)

• Dispositivi a microprocessore progettati in hardware e software per l’automazione di impianto. Essi comprendono:

Struttura hardwareSoftwareSistemi di interfaccia operatore


STRUTTURA HARDWARE

• CPU, Processori di Comunicazione• Sezione di ingresso\uscita• Interfaccia con altri dispositivi


Interfaccia verso I/O distribuiti

Unità Centrale

Interfaccia SerialeInterfacce verso reti di comunicazioneMemoria

Schede di ingresso/uscita

Guida profilata

Alimentatore

Guida profilata

Schede di ingresso digitali

Schede di uscita digitali

Interfaccia I/O distribuiti

Guida profilata

Schede di ingresso analogiche

Schede di uscita analogiche

Schede specialiInterfaccia I/O distribuiti

Figura 1: Esempio di struttura hardware di un controllore programmabile


SOFTWARE

• Sistema di sviluppo• Supporto fisico• Linguaggi di programmazione


LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE

• Schema a contatti• Schema funzionale• Lista di istruzioni• Linguaggi di alto livello


Lista di istruzioni

Schema funzionale

U E 5.1U E 5.2ON E 5.3= A 1.0

E 5.1

E 5.2

E 5.3 A 1.0

Linguaggio a contatti

E 5.1 E 5.2 A 1.0

E 5.3

Sequential Flow Chart

S1

T1

T6

T2

T3 T7

T4 T8

T9

T10

T5

T6

S2

S6

S5 S9

S2

S3

S4

S7

S8 S10

Figura 2: Linguaggi di programmazione di un controllore programmabile

> = 1

Rami simultanei

Rami alternativi

Step

Transizione

&

Salto


FUNZIONAMENTO DI UN PLC

• Acquisizione degli ingressi• Elaborazione del programma utente• Comando delle uscite• E’ UN FUNZIONAMENTO CICLICO


Controllore di dispositivo

sensore

attuatore

sensore


sensore

sensore


sensore

attuatoreattuatore

sensore

Controllore di cella


Dispositivo Dispositivo Dispositivo

Cella Cella

AltriImpianti

MagazzinoScorte

Rete di Impianto

Descrizione di un impianto dal punto di vista CIM


Dispositivo

Cella

AltriImpianti

MagazzinoScorte

Intranet

Uso di reti di comunicazione industriali in ambito CIM


sensore

attuatore

sensore

sensore

sensore

Dispositivo




sensore

attuatore

sensore sensore

Dispositivo

BridgeBridge

Cella

Rete di comunicazionedi campo




Repeater



Reti di comunicazione industriali• Reti per la trasmissione di dati ai vari livelli dei

sistemi di automazione industriali• Nel corso degli anni molte sono state le soluzioni

adottate:Internet/IntranetWide Area Networks, WANLocal Area Networks, LANReti MAPReti di comunicazione di campo, fieldbus


Reti di Comunicazione di Campo

• Caratteristiche fisiche simili alle LAN• I protocolli adottati possono essere anche

molto diversi• Sostituiscono i collegamenti punto-punto tra

controllore di dispositivo e sensori/attuatori• Sostituiscono i collegamenti tra controllori

di dispositivo e controllore di cella


Vantaggi derivanti dall’uso di una rete di comunicazione di campo

• Possibilità di uso a livello cella e dispositivo• Riduzione dei cablaggi• Uso di tecniche di trasmissione digitali• Possibilità di diagnosi e calibrazione remota• Aggiunta di nuovi nodi molto semplice• Ogni grandezza può essere resa accessibile

a ogni nodo della rete senza cablaggi addizionali


Prestazioni richieste a una rete di comunicazione di campo

• Scambio di dati ciclico• Traffico urgente aciclico• Messaggistica di alto livello


Scambio di dati ciclico

• Avviene a livello di dispositivo• Operazione di polling su sensori/attuatori

collegati al controllore• Deve essere una prestazione implicita

Traffico urgente aciclico

• Avviene a livello di dispositivo e talvolta a livello di cella

• Prestazione necessaria per notificare situazioni di allarme nel più breve tempo possibile

• Richiede la trasmissione di piccole quantità di dati• Deve essere previsto un tempo limite per

l’esecuzione di questa funzione


Messaggistica di alto livello

• Realizza la comunicazione a livello di cella• Permette il trasferimento di elevate quantità

di dati con caratteristiche temporali non stringenti

• Operazioni tipiche sono lettura/scrittura di variabili, uploading/downloading di aree di memoria


Modello di riferimento ISO/OSI /1

• ISO (International Standard Organization) ha emanato nel 1984 il modello di riferimento per Open System Interconnection (OSI)

• Lo standard che porta la sigla ISO 7498 fornisce una struttura che permette lo sviluppo di sistemi di comunicazione in grado di garantire l’interoperabilitàtra prodotti di costruttori diversi


Physical layer

Data Link layer

Network layer

Transport layer

Session layer

Presentation layer

Application layer

1

2

3

4

5

6

7

Modello di riferimento ISO/OSI /2


Layers 3 to 6 usua lly e mp ty

Layer 1: Phys ical

Layer 2: Data Link

Layer 7: A pplication M essag ing Service

Layers 3 to 6 us ually empty

Cyclic Data Exchange and Asynchronous T raffic (Th ese funct ions do not use

layer 7 p roto co ls)

U se r ta sk # 1

U se r ta sk # n

U se r ta sk # m

U se r ta sk # k

Tipico Profilo di Comunicazione di una rete di di campo


Situazione normativa

• Standard Europeo EN50170• Standard Europeo EN50254• Standard Europeo EN50295• Standard Europeo EN50325• Standard Internazionale IEC 61158• Standard Internazionale IEC 62026• Standard Internazionale IEC 61784• ………………………….


Principali standard e prodotti di mercato

IEC CENELEC MARKET IS 61158 - Type 1 EN50170 part 4 Foundation Fieldbus H1

IS 61158 - Type 2 EN50170 part 5 ControlNet

IS 61158 - Type 3 EN50170 part 2 Profibus

IS 61158 - Type 4 EN50170 part 1 P-Net

IS 61158 - Type 5 ---------- Foundation Fieldbus HSE

IS 61158 - Type 6 ---------- SwiftNet

IS 61158 - Type 7 EN50170 part 3 WorldFIP

IS 61158 - Type 8 EN50254 part 2 Interbus

IS 61158 - Type 3 EN50254 part 3 Profibus DP

IS 61158 - Type 7 EN50254 part 4 WorldFIP profile 1

IS 62026 - 2 EN50295 part 2 Actuator Sensor - interface

IS 62026 - 3 EN50325 part 2 DeviceNet

IS 62026 - 5 EN50295 part 3 Smart Distributed System

ADIS 62026 - 6 ---------- Seriplex


Standard Internazionale IEC61784

Communication Profile Families Communication Profiles

CPF-1 (Fielbus Foundation) CPF-1/1 - H1

CPF-1/2 - HSE

CPF-2 (ControlNet) CPF-2/1 - ControlNet

CPF-2/2 - EtherNet/IP

CPF-3 (PROFIBUS) CPF-3/1 – PROFIBUS (asincrono)

CPF-3/2 – PROFIBUS (sincrono)

CPF-3/3 - PROFINet ( New )

CPF-4 (P-NET) CPF-4/1 - P-NET RS485

CPF-4/2 - P-NET RS232

CPF-5 (WorldFIP) CPF-5/1 - WorldFIP

CPF-5/2 - WorldFIP

CPF-5/3 - WorldFIP

CPF-6 (INTERBUS) CPF-6/1 - INTERBUS

CPF-6/2 - INTERBUS TCP/IP ( New )

CPF-6/3 - ritaglio di CPF-6/1 ( New ) CPF-7 (SwiftNet) CPF-7/1 - SwiftNet Transport

CPF-7/2 - SwiftNet Full Stack


DeviceNet

• Physical layer e data link layer sono basati sullo standard Controller Area Network, CAN (ISO 11898)

• DeviceNet è un protocollo del livello applicazione di CAN

• Utilizzato in numerosi settori:AlimentareImpianti di distribuzione dell’energia elettricaImpianti chimici


DeviceNet: Profilo di comunicazione

D e viceN et P ro toco l S pec if icat io n

Layer s 3 to 6 e m pty

P hys ica l La yer S igna ll ing

D e vice Ne t

Co n tro lle r A rea N e tw o rk (CA N ) Pro to co l Sp ec if ic a t io n

Ph y s ica l

D ata L in k

A p p lica t io n

User App licat io ns

Logica l L ink C o ntro l LLC

M ed ium Access C o ntro l M AC

ISO / O S I M o d e l


Cella

AltriImpianti

MagazzinoScorte

Rete di Impianto

Campo di applicazione di DeviceNet

Cella


BridgeBridge

Rete di campo Rete di campo


Dispositivo DispositivoDispositivo

sensore

attuatore

sensore

sensore

sensore

sensore

attuatore

sensore sensore




Rete di campo Rete di campoRete di campo


Caratteristiche di CAN

• Semplice ed economico• Ampia disponibilità di componenti e strumenti

di sviluppo• Molto diffuso: decine di milioni di nodi CAN

attualmente installati


CAN: Livello fisico• Topologia a bus condiviso• Usa un semplice doppino intrecciato• Estensione fino a 1 Km (a 50 Kbps)• Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s

(massima estensione in questo caso 50 m)• Interfaccia simile ai circuiti a collettore

aperto:livello sul bus dominante o recessivo


Medium Access Control• Rete multimaster ad accesso casuale (CSMA)

simile a Ethernet• Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo

fisico• Sulla rete vengono scambiati frame secondo il

principio produttore/consumatore• I frame sono individuati univocamente da un

identificatore


Collisioni• Due o più frame trasmessi contemporaneamente

causano una collisione

• Essa viene risolta in base alla priorità dei frame

• Fase di arbitraggio non distruttiva per risolvere le contese sul bus

• Comportamento deterministico e prevedibile


Fase di arbitraggio

BUS

A

B

C

A perde

B perde

C trasmette

A B CBUS


CONTROLCONTROL DATADATA CRCCRC ACKACK EOFEOFIDENTIFIERSOF

RTR

1 11 1 6 0-64 16 2 6Numero di bit

Data Frame

Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit


DeviceNet: Physical layer

• Ammette tre delle possibili velocità di trasmissione di CAN: 125, 250 e 500 kbit/s

• Distanze coperte: 500, 250 e 100 metri rispettivamente

• Massimo numero di stazioni presenti sulla rete: 64


DeviceNet: Application layer

• Basato sul concetto di oggetti di comunicazione• Ogni stazione connessa alla rete è vista come un

insieme di oggetti• DeviceNet introduce le seguenti definizioni:

Class: insieme di oggetti dello stesso tipoInstance: effettiva occorrenza di un oggettoAttribute: caratteristiche dell’oggettoBehaviour: comportamento dell’oggettoService: funzioni (di comunicazione) dell’oggetto


Connessioni

• DeviceNet stabilisce che qualsiasi comunicazione avvenga tramite connessioni stabilite in precedenza

• Una connessione è un canale di comunicazione virtuale tra due o più nodi

• DeviceNet definisce due tipi di connessioni:I/O connections: usate per trasferire dati in tempo realeExplicit messaging connections: usate per trasferire dati di bassa priorità in tempi non critici


Predefined Master Slave Connection Set• La procedura per stabilire una connessione

può essere complicata• Il predefined master slave connection set

permette di stabilire facilmente delle connessioni particolarmente adatte allo scambio dati in modalità master-slave

• In pratica il master deve inviare solamente due messaggi per stabilire la connessione


Modalità di comunicazione master slave

• Con il predefined master slave connection set lo scambio dati può avvenire in quattro diverse modalità:

Bit strobe command/response messagesPoll command/response messagesChange of state/Cyclic messagesExplicit response/request messages


FIP: Factory Instrumentation Protocol

• Nasce verso la fine degli anni ‘80 come standard nazionale francese

• Nel 1992, con l’adesione di Honeywell, Allen&Bradley, SquareD, viene denominato WorldFIP

• Tipica architettura a tre livelli • Campi comuni di utilizzo:

Produzione di energiaIndustria automobilisticaBuilding AutomationControllo di Processo


WorldFIP: Profilo di comunicazione

Phys ical Layer

Layers 3 to 6 e mpty

Wo rldFIP

M anufact uring P eriodic/Aperiodic

Serv ices (MP S)

Subset of M anufact uring M essage Specificat ion

(SubM M S)

P eriodic/Aperiodic Serv ices

M essaging Serv ices

Us er A pplications

Us er A pplications

Phys ical

Data Link

A pp lication

ISO/ OS I M odel


Cella

AltriImpianti

MagazzinoScorte

Rete di Impianto

Campo di applicazione di WorldFIP

CellaDispositivo DispositivoDispositivo

sensore

attuatore

sensore

sensore

sensore

sensore

attuatore

sensore sensore




Rete di campo Rete di campoRete di campo


BridgeBridge

Rete di campo Rete di campo



WorldFIP: Physical Layer

• Doppino schermato o fibra ottica• Velocità di trasmissione:

31.25 kbit/s, 1 Mbit/s, 2.5 Mbit/s, 5 Mbit/s• Topologia a segmenti

Massima lunghezza segmento: 1900 mMassimo numero segmenti: 5Massima lunghezza totale: 9500 m

• Numero massimo di stazioni: 128


WorldFIP: Data link layer/1

• Fornisce i seguenti servizi: Scambio di variabili identificate Trasferimento di messaggi

• Tali servizi possono essere:Ciclici (solo scambio di variabili)Aciclici


WorldFIP: Data link layer /2

• Definisce un insieme di variabili identificate che possono essere prodotte o consumate

Per ogni variabile definita esistono:• un nodo produttore• uno o più nodi consumatori

• Mette a disposizione i servizi per il trasferimento dei messaggi


Arbitro del bus

• Richiede la trasmissione delle variabili con periodicità stabilite in fase di configurazione

• In ogni istante sul bus deve essere presente uno e uno solo arbitro

• Necessità di ridondanza


A 1 0 IN T_ 1 6 1 7 8 B 2 0 U N S _ 3 2 1 9 4 C 3 0 IN T_ 8 1 7 0

V a ria ble Pe rio d ic ity ( m s ) T y pe T i m e ( us )

S ca n ni ng T a b le

A B C

A

A B

A C

A B

A

A B C

A

A B

A C

A B

A

T im e

E le m e n ta ry c y c le

M a c ro c y c le

1 0 m s

T im e a v a i la b le fo r a p e rio d ic t ra ff ic

WorldFIP: Esempio di funzionamento


Traffico aciclico

• VariabiliUn nodo produttore può richiedere la trasmissione di variabili

• MessaggiUn nodo produttore può richiedere il diritto di trasmettere messaggi ad altri nodi


Scambio di Variabili

• Durante la fase ciclica il produttore di una variabile comunica all’arbitro del bus di avere delle richieste di scambio aciclico di variabili

• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro chiede alla stazione la lista delle variabili da produrre aciclicamente

• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro esegue le richieste di produzione delle variabili specificate in precedenza


Scambio di Messaggi• Durante la fase ciclica il produttore di una variabile

comunica all’arbitro del bus di avere delle richieste di scambio di messaggi

• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro fornisce alla stazione che ne ha fatto richiesta il diritto di inviare messaggi

• La stazione che ne ha fatto richiesta invia i messaggi alle destinazioni

• La stazione restituisce all’arbitro il diritto di trasmettere


WorldFIP: Application Layer

• Costituito da due componentiMPS (Manufacturing periodical\aperiodical services)SubMMS

• MPS fornisce servizi del tipo:Gestione dell’integrità e della consistenza delle variabili consumatelettura\scrittura di variabili locali o remote


SubMMS

• Fornisce un subset dei servizi previsti dallo standard ISO MMS, fra i quali:

Gestione degli allarmiMonitoraggio delle variabiliGestione dei messaggiUpload\Download di programmi

SERCOS

SErial Real-time Communication SystemStandard IEC 61491


SERCOS

• Sistema di comunicazione digitale progettato per il collegamento tra controllore e drives

• Utilizzato esclusivamente per azionamenti elettrici

• La norma standardizza molti dei parametri che possono essere scambiati e permette l’introduzione di altri definibili dall’utente


Slave #1

Drive

Slave #1

Drive

Slave #1

Drive

Controllore(Master)

Controllore(Master)

Configurazione tipica di SERCOS


Livello Fisico• La configurazione tipica di SERCOS consiste in una

topologia ad anello in fibra ottica• Una stazione ha funzioni master, le altre sono slave• Il numero di slave dipende dalla velocità di trasmissione,

dalla quantità di dati trasmessi e dal tempo di ciclo richiesto

• Distanza massima tra stazioni:60 m con fibra di plastica; 250 m con fibra di vetro

• Velocità di trasmissione: fino a 4 Mbit/s• Tempi di ciclo selezionabili tra:

0.062 ms; 0.125 ms; 0.25 ms e multipli di 0.25 ms


Funzionamento• Due fasi:

InizializzazioneScambio dati ciclico

• Inizializzazione:Configurazione del sistemaAssegnazione dei time-slot agli slave

• Scambio dati ciclico:Master Sync Telegram (MST)Drive Telegram (AT)Master Data Telegram (MDT)


Master Sync Telegram

• Inviato dal master contemporaneamente a tutti gli slave all’inizio di ogni ciclo

• Costituisce il trigger di inizio ciclo• Comprende un solo byte che riporta lo stato

della rete


Drive Telegram

• Inviato da ogni slave al master• L’istante in cui il messaggio viene spedito è

specificato in base al time-slot ricevuto nella fase di inizializzazione

• Contiene 4 byte di stato e un numero variabile di byte di dati


Master Data Telegram

• Inviato dal master a tutti gli slave dopo la ricezione dei Drive Telegram

• L’istante in cui il messaggio vine spedito è specificato nella fase di inizializzazione

• E’ costituito da 4 byte di stato e, per ogni slave, da un data record contenente i dati da inviare

• Inizio e lunghezza del data record sono specificati in ogni slave durante la fase di inizializzazione


Esempi di Dati Ciclici Scambiati

• Dal master agli slave:Riferimento di coppiaRiferimento di velocitàRiferimento di posizione

• Dagli slave al master:Valore di feedback di coppiaValore di feedback di velocitàValore di feedback di posizione


Dati Aciclici

• SERCOS permette anche lo scambio di dati aciclici

• Per svolgere tale funzione sono a disposizione 2 dei 4 byte di stato nei messaggi MDT e AT

• Il trasferimento può aver luogo sempre e soltanto su iniziativa del master

• Possono essere trasferiti solo dati predefiniti


PROFIBUS: un po’ di storia• Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco:

norma DIN 19245 parti 1 e 2• Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3:

Profibus DP• Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma

DIN 19245: Profibus PA• Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard

europeo EN50170, successivamente anche PA entra in EN50170, mentre DP viene inglobato in EN 50254

• Nel 1999 entra a far parte dello standard internazionale IEC61158

PROFIBUS: Normativa

• Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco: norma DIN 19245 parti 1 e 2

• Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3: Profibus DP

• Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma DIN 19245: Profibus PA

• Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo EN50170

Profibus e modello ISO/OSI

physical layer

data link layer

network layer

transport layer

session layer

presentation layer

application layer

physical layer: RS 485

data link layer: FDL

application layer: FMS

Modello ISO/OSI Profibus

livelli 3-6 vuoti

Physical Layer

• Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485

• Topologia a bus a più segmenti collegati da repeater: sono collegabili massimo 32 stazioni per segmento e 127 stazioni in totale

• Mezzo trasmissivo: doppino (eventualmente) schermatofibra ottica disponibile in alternativa

Physical Layer• Velocità di trasmissione da 9,6 a 1500 kbit/s• Lunghezza massima di un segmento:

1200 m a 93,75 kbit/s200 m a 1500 kbit/s

• Tra due nodi possono essere presenti al massimo 3 repeater e quindi la distanza massima è 4800 m

Baudrate in kBit/s 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000

Line Length 1200 1200 1200 1000 400 200 100in m (Cable Type A)

PROFIBUS - Transmission Line Length RS 485

Data Link Layer: FDL

• Specifica le modalità di accesso al bus• Garantisce l’integrità dei dati trasmessi • Realizza un accesso di tipo ibrido

combinando tecniche di accesso di tipoToken passingMaster-slave

Features of the PROFIBUS Data Link Layer (FDL)

• Master or Slave stations may be added or removed at any point of time. The FDL will automatically reconfigure the logical token ring.

• The Token Passing procedure ensures that each Master will have enoughtime to fulfill its communication tasks. Therefore, the user has to calculatethe overall Target Token Rotation Time (TTR).

• The Bus Access Protocol is able to detect defective stations, lost Token, double Token, transmission errors and all other possible network failures.

Principle of the Token Passing Procedure

• In Multi Master Networks the Token Passing procedure must ensure that each master has enough time to fulfill it´s communication tasks.

• The user therefore configures the overall Target Token Rotation Time (TTR) taking into account the communication tasks of all masters.

• Each Master calculates the available amount of time for its communication tasks at token receipt according to the following rule:

TTH = Token Hold TimeTTR = Target Token Rotation TimeTRR = Real Token Rotation Time

TTH = TTR - TRR

Servizi FDL

• Send data with acknowledge, SDA• Send and request data with reply, SRD• Send data with no acknowledge, SDN• Cyclic send and request data with reply,

CSRD

FDL_DATA_ACK.request

FDL_DATA_ACK.confirm

FDL_DATA_ACK.indication

FDL Stazione X(SAP n)

FDL Stazione Y(SAP m)

Servizio SDA

Service Access Point (SAP)

• Usati assieme all’indirizzo fisico di rete per identificare univocamente le entità che richiedono/ricevono servizi

• Presenti in tutti i livelli del modello di riferimento OSI

FDL_DATA_REPLY.request

FDL_DATA_REPLY.confirm

FDL_DATA_REPLY.indication



Servizio SRD

FDL_DATA_UPDATE.request

FDL_DATA_UPDATE.confirm

Structure of important PROFIBUS Telegrams

Token Message

FDL Status Request Telegram

Data Telegram

Legenda:

DA = Destination AddressDU = Data UnitDSAP = Destination Service Access PointED = End DelimiterFC = Function CodeFCS = Frame Check SequenceLE = LengthLEr = Repeated LengthSA = Source AddressSD2 = Start Delimiter 2SD4 = Start Delimiter 4SSAP = Source Service Access Point

SD4 DA SA

SD1 DA SA FC FCS ED

SD2 LE LEr SD DA SA FC DSAP SSAP DU FCS ED

FDL State Diagram

PON

0: Offline1: Listen Token2: Active Idle3: Claim Token4: Use Token5: Await Data Response

6: Check Access Time7: Pass Token8: Check Token Pass9: Await Status Response10: Passive Idle

PassToken

7

Claim Tok3

A Idle2

Use Token4

Await5

Check6Ch To

8

Aw St9

Li To1

Off0

P Idle10

CSRD• E’ il servizio di Profibus che permette lo

scambio di dati ciclico • Una stazione master in possesso del token

può comunicare al proprio controllore FDL la “polling list”

• Successivamente, ogni volta che la stazione riceve il token, automaticamente il controllore FDL invia dati ai nodi della polling list e riceve i dati da questi

Application Layer: FMS

• Deriva dallo standard internazionale MMS (ISO 9506-1-2)

• FMS si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione che possono essere scambiati tra nodi della rete

• Gli oggetti di comunicazione sono contenuti nel Virtual Fieldbus Device (VFD) e descritti nel Dizionario degli Oggetti

• La comunicazione è di tipo client-server

PROFIBUS - FMS Protocol Architecture

Data-Link-Layer (2)

Physical-Layer (1)

Application-Layer (7)EN 50 170

Vol 2Part 2

EN 50 170Vol 2Part 1

Application Process

PROFIBUS Transmission Medium

Fieldbus Message Specification (FMS)

Lower Layer Interface (LLI)

Fieldbus Data Link (FDL)

Application Layer Interface (ALI)

Layer 3 to 6are not explicit

Esempi di oggetti di comunicazione

• Variabili• Eventi• Dizionario degli oggetti• Domain• Program Invocation

Servizi FMS

• I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti; pertanto a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di servizi.

• Tra i più importanti vi sono:Servizi di gestione del dizionario degli oggettiServizi di accesso alle variabiliServizi di gestione degli eventiServizi di gestione domain e program invocation

Gestione Dizionario degli Oggetti

• Mantiene la descrizione degli oggetti presenti nel VFD

• Gli oggetti sono identificati da un indice numerico e opzionalmente da una stringa

• I servizi messi a disposizione da FMS permettono di:

Leggere le caratteristiche di un oggettoInserire un nuovo oggetto nel dizionario

Accesso alle variabili

• FMS definisce 5 tipi di variabili:Variabili sempliciArrayRecordListe di variabiliAccesso fisico

• I servizi a disposizione sono tipicamente Read e Write

Gestione degli Eventi

• Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti quali allarmi

• Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica

Gestione Domain e Program Invocation

• Un oggetto di tipo domain descrive un’area di memoria contenente dati o programmi

• Un oggetto di tipo program invocation è un insieme di domain che costituiscono un programma eseguibile

• I servizi relativi ai domain sono:DownloadingUploading

Servizi relativi alle Program Invocation

• Creazione• Cancellazione• Avvio• Arresto• Ripartenza• Reset


Profibus DP

• Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra master e slave

• Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s• Physical layer e Data link layer sono gli

stessi di Profibus


Profibus PA

• Progettato per collegare controllori a strumentazione di processo anche in ambienti a sicurezza intrinseca

• Physical layer conforme a IEC 61158-2• Data link layer: FDL• Sfrutta le funzioni estese di Profibus DP


Profibus PA e modello ISO/OSI

Profibus PA

Anche in questo caso sono assentifunzioni di livello 7

Profibus PA si basa sul concetto diProfilo che consente di caratterizzarecompletamente i tipi di dispositivo collegabilidata link layer: FDL

physical layer: IEC 1158-2

livelli da 3 a 7 VUOTI

Profibus DP esteso

Profili Profibus PA


Profibus PA: Physical layer• Specificato dalla norma IEC 1158-2• Velocità di trasmissione fissa 31.25 kbit/s• Prevede la possibilità di operare in ambienti a

sicurezza intrinseca• Le stazioni possono essere alimentate

direttamente dalla rete• Massimo 32 stazioni possibili per segmento

per un totale di 126• Massima lunghezza del segmento 1900 m.


Profibus PA: Data link layer

• E’ conforme a FDL, data link layeroriginario di Profibus

• Cambia, ovviamente, la parte di interfaccia al physical layer

PROFIBUS-PA: Line Topology

PROFIBUS-PAIEC 1158-2

Terminationshielded, twistedpair cable

RS 485PROFIBUS-DP

Segment coupler/link I

DCS / PLC

PROFIBUS-PA provides a large Scaleof Network Topologies

Field multiplexer


Termination

RS 485PROFIBUS-DP

Segment coupler/link I

DCS / PLC


I

Segment coupler/link


Profilo

• Fornisce la standardizzazione delle funzioni tipiche di un dispositivo

• Profibus PA definisce due classi di profili: A e B

• Il profilo A descrive le funzioni base dei dispositivi

• Il profilo B è un estensione della classe A con funzioni più complesse


DM

PB

FBTB

DM: Device Management PB: Physical Block FB: Function Block TB: Transducer Block

Descrizione di un dispositivo


Blocchi• Device Management: contiene la struttura del

dispositivo e alcuni parametri quali ad esempio l’indirizzo di rete

• Physical Block: fornisce i parametri necessari per il funzionamento hardware del dispositivo

• Function Block: Descrive le funzioni del dispositivo. Esempi di blocchi di questo tipo sono Analog Input, Analog output, ecc.

• Transducer Block: Descrive i parametri di collegamento al processo, ad esempio tipo di sensore, tipo di conversione usata, ecc.


12 bar

8 bar

0 bar

-12 bar

Measuring range limit

Physical limit of the measuring sensor

Measuring range limit

Physical limit of the measuring sensor

HI-HI-LIM (Upper alarm limit)

HI-LIM (Upper warning limit)

LO-LIM (Lower warning limit)

LO-LO-LIM(Lower alarm limit)

PV_SCALE(Scaling of the

measuring range)

Mea

surin

gra

nge

(bar

)

OUT(Measured value)

Esempio di Function Block: Analog Inputcon dati provenienti da un sensore di pressione


PA-ProfilesFMSDevice Profiles

IEC Interface

FMSFMS

IEC 1158-2

PAPA

EN 50 170 DIN E 19245 part 4 PROFIBUS guidelines

DPDP

DP-Extentions

Fieldbus Data Link (FDL)

DP-Profiles

RS-485

NOT USED

DP Basic Functions

FMS

12

7Livelli

ISO/OSI

Applicazione


Profibus DP

• Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra Master e Slave

• Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s

• Physical layer e Data link layer sono gli stessi di Profibus


Profilo di Comunicazione

Profibus DP

Non esistono funzioni di livello 7

Profibus DP usa solamente i servizidel data link layer

Le funzioni DP accessibili all’utenteattraverso la User Interface vengonomappate nel data link layer dal Direct Data Link Mapper (DDLM)data link layer: FDL

physical layer: RS 485

livelli da 3 a 7 VUOTI

Direct Data Link Mapper

User Interface


PROFIBUS-DP defines three device types

DP-Master Class 1 (DPM1)• Central Controller which exchanges data

with the distributed I/O devices (DP-Slaves)• Several DPM1 are permitted, typical

devices are PLC, PC, VME

DP-Master Class 2 (DPM2)• Configuration, Monitoring or Engineering

tool which is used to set up the network or parametrize / monitor the DP-Slaves

DP-Slave• Peripherial device directly interfacing

the real I/O signals • Typical devices are Inputs, Outputs,

Drives, Valves, Operator Panels...


PROFIBUS-DP Monomaster System

DP-Master (Class 1) Monomaster Systems reach the shortest bus cycle time

They consist of:- 1 DP-Master (Class 1)- 1 to max. 125 DP-Slaves- DP-Master (Class 2) - optional

Distributed Inputs and Outputs

DP - Slaves

PROFIBUS-DP

PLC


PROFIBUS-DP Multimaster SystemDP-Master(Class 2)

DP-Master(Class 1)

DP-Master(Class 1)

PROFIBUS-PDP - Slaves

PLC

PROFIBUS - DP

PC

CNC

Diagramma di stato di un Master

OFFLINE

STOP

CLEAR

OPERATE

Master non in rete

Master presente in retenessuna attività sugli slave

Master acquisisce ingressinon comanda uscite

Master acquisisce ingressie comanda uscite

Diagramma di stato di uno Slave

Set_Slave_AddSlave_Diag

POWER_ON

WAIT_PRM

WAIT_CFG

DATA_EXCH

Chk_Cfg, not okSet_Prm, not ok

Slave_DiagGet_Cfg

Slave_DiagSet_PrmGet_Cfg


Principali funzioni Master-Slave

• Lettura della diagnostica• Set dei dati di parametrizzazione• Controllo dei dati di configurazione• Lettura configurazione• Cambio indirizzo di uno slave• Scambio ciclico di dati• Emissione comandi di controllo globali


Implementazione delle funzioni Master-Slave

• E’ compito del DDLM tradurre le funzioni in servizi del data link layer

• DDLM usa il servizio SDN per l’emissione di comandi di controllo globali

• DDLM usa il servizio SRD per tutte le altre funzioni

• L’identificazione delle funzioni avviene per mezzo dei Service Access Points (SAP)


Servizio SRD

FDL_DATA_REPLY.request

FDL_DATA_REPLY.confirm

FDL_DATA_REPLY.indication



FDL_DATA_UPDATE.request

FDL_DATA_UPDATE.confirm


FDL_DATA.request

FDL_DATA.indication

Stazione X(SAP n)

Stazione Y

Servizio SDNStazione Z Stazione W


Syn = Synchronisation TimeSD2 = Start Delimiter 2LE = LengthLEr = repeated Length DA = Destination Address

SA = Source Address FC = Function CodeDU = Data UnitFCS= Frame Check SequenceED = End Delimiter

SRD-Request, variable length of user data

SRD-Response, variable length of user data

DP-

Mas

ter

DP-

Slav

e

SYNSD2 LE SD2 DA SA FC DU FCS EDLEr

SD2 LE LEr DA SA FC DU FCS EDSD2

DP-

Slav

eD

P-Sl

ave

DP-

Mas

ter

Trasferimento dati tra master e slave

header dati di uscita trailer

header dati di ingresso trailer

Servizio SRD frame di richiesta

Servizio SRD frame di risposta

Uso dei Service Access Points (SAP)in Profibus DP

SAP 55: Cambio indirizzo di uno slaveSAP 56: Lettura ingressiSAP 57: Lettura usciteSAP 58: Comandi di controllo globaliSAP 59: Lettura dati di configurazioneSAP 60: Lettura diagnosticaSAP 61: Set dei dati di parametrizzazioneSAP 62: Controllo dei dati di configurazione

Il SAP sorgente è sempre il numero 62il SAP destinazione ha i seguenti significati:

SAP sorgente = SAP destinazione = 255 : scambio dati ciclico


Comandi di controllo globali

• Vengono inviati dal master a tutti gli slave o a gruppi di slave specificati nel messaggio di parametrizzazione. Essi consentono di:

Sincronizzare gli ingressi: FREEZESincronizzare le uscite: SYNCEseguire il reset di tutte uscite: CLEAR


Messaggio di diagnostica

• Il messaggio di diagnostica è composto da:

6 byte obbligatori di informazioni generali specificate dallo standardfino a 238 byte opzionali di diagnostica estesa dello slave il cui formato è specificato dallo standard


Byte di diagnostica # 1

• Slave parametrizzato da un master diverso• Parametrizzazione errata• Diagnostica invalida• Funzione non supportata dallo slave• Presenza di diagnostica estesa dello slave• Configurazione errata• Slave non operativo• Slave non esistente



• Slave disattivato• Comando sync ricevuto• Comando freeze ricevuto• Richiesta di nuova parametrizzazione


• Overflow nella diagnostica estesa


Byte di diagnostica # 5 e 6

• Indirizzo del master che ha parametrizzato lo slave


• Ident_Number


Messaggio di parametrizzazione

• Il messaggio di parametrizzazione è composto da:

7 byte obbligatori specificati dallo standardfino a 237 byte opzionali liberamente definibili dall’utente


Byte di parametrizzazione # 1

• Slave accessibile da un master diverso• Abilitazione al funzionamento in modo sync• Abilitazione al funzionamento in modo freeze• Abilitazione della funzione di watch-dog

Byte di parametrizzazione # 2 e 3 • Definizione del tempo di watch-dog


Byte di parametrizzazione # 4• Definizione del minimo tempo di risposta

dello slave (min TSDR)

Byte di parametrizzazione # 5 e 6 • Ident_number

Byte di parametrizzazione # 7• Assegnazione dello slave a un gruppo


Configurazione

• Con questo messaggio il master specifica la configurazione di input/output dello slave

• Se lo slave ha una configurazione diversa, non accetta il messaggio

• Il messaggio contiene al massimo 244 byte


Struttura del messaggio di configurazione

• Viene usato un byte detto identifier per specificare gli ingressi/uscite Esso fornisce le seguenti informazioni:

numero degli I/Otipobyte o wordconsistenza


Funzioni DP estese

• Si tratta di un estensione dello standard che permette funzioni quali:

lettura/scrittura aciclica sugli slavericonoscimento allarmi provenienti dagli slave

• Le funzioni DP estese sono OPZIONALI


Lettura/scrittura aciclica

• La richiesta viene inviata dal master tramite il servizio SRD specificando il SAP 51

• I dati da leggere/scrivere sono identificati per mezzo di slot_number e index

• Successivamente alla richiesta, il master continua a interrogare lo slave fino a che non ottiene la risposta

DP

-MA

STER

Request Telegram

Response Telegram

Sequence of a Read Service

FunctionNumber

SlotNumber Index Length

Function

NumberSlot

NumberIndex Length Data

DP

-SLA

VE

eventually some Poll Cycles withoutData, until Data is available

Extended DP Functions


Riconoscimento allarmi• Uno slave può comunicare al master una

situazione di allarme• La comunicazione avviene tramite il

messaggio di diagnostica dove:Slot_number identifica la sorgenteAlarm_type identifica il tipo

• Con la funzione DDLM_ALARM_ACK il master segnala allo slave il riconoscimento dell’allarme


File descrizione dispositivi Profibus DP: GSD

• Ogni dispositivo Profibus DP ha un file con estensione GSD associato che ne specifica tutte le caratteristiche

• Il file viene usato dal master per conoscere le caratteristiche degli slave

• Il file deve essere fornito dal costruttore del dispositivo

• E’ disponibile un tool “GSD editor”


File GSD: Contenuto

• Velocità di trasmissione permesse• Max lunghezza dei messaggi permessa• Numero di I/O del dispositivo• Eventuali opzioni di modularità• Significato del messaggio di diagnostica


Profili

• Esistono dei profili definiti per ProfibusDP

• Un profilo caratterizza completamente una classe di dispositivi

• Dispositivi appartenenti a un profilo sono intercambiabili

• Sono stati standardizzati profili per encoder, azionamenti, controlli numerici, dispositivi di visualizzazione


Funzioni DP estese

• Si tratta di un estensione dello standard che permette funzioni quali:

lettura/scrittura aciclica sugli slavericonoscimento allarmi provenienti dagli slave

• Le funzioni DP estese sono OPZIONALI


Tempi di Trasmissione• A ogni byte da trasmettere vengono associati altri 3 bit (start, stop, parità)

• Header e trailer di ogni messaggio sono in totale 9 o 11 byte

• Si definisce Tbit il tempo necessario per trasmettere un bit:

a 1,5 Mbit/s 1 Tbit = 0,6667 µs

a 12 Mbit/s 1 Tbit = 83 ns


Trasmissione di un messaggio

Tsyn = 33 Tbit

min TSDR = 11 Tbit

max TSDR = 60 - 800 Tbit

TSDR

Frame di risposta =Header + Dati di ingresso + Trailer

Tid1 = 75 Tbit

Frame di richiesta =Header + Dati di uscita + Trailer

Tempo di ciclo di un master

TC = [ ( TSYN + TID1 + TSDR + Header + Trailer ) x n° Slave +(n° byte In x 11Tbit) + (n° byte Out x 11Tbit) ]

TSYN = Tempo di sincronizzazione = 33 TbitTID1 = Idle Time del Master, valore tipico = 75 TbitTSDR = Ritardo alla risposta di uno slave, valore tipico = 11 TbitHeader+ Trailer = 22 byte (11 in richiesta, 11 in risposta) = 242 Tbitn° byte In = Numero totale di byte di ingresso (tutti gli slave)n° byte Out = Numero totale di byte di uscita (tutti gli slave)n° Slave = Numero di slave

E’ il tempo necessario a eseguire un ciclo di polling sugli slave


Esempi di calcolo del tempo di ciclo

Tempo di ciclo[ms]

12 MBit/s

1.5 MBit/s

500 kBit/s

2

6

10

14

18

5 10 20 30

n° slave

IPOTESI: Ogni slave ha 2 byte di ingresso e 2 byte di uscita


Dispositivi ASIC

• Dispositivi in commercio che implementano i protocolli dello standard

• Sono disponibili prodotti con funzionalità Master e altri con funzionalità Slave


ASIC per Master• Il componente più usato è prodotto

da Siemens ed è denominato ASPC2

• Si tratta di un Master Profibusgenerico per il quale sono disponibili i software per i protocolli DP, FMS e PA


ASIC per Slave

• Anche in questo caso i componenti più usati sono prodotti da Siemensessi sono:

LSPM2SPC3


LSPM2 - Caratteristiche

• Funzionamento stand-alone • Collegamento con il campo per mezzo di 32

linee di ingresso\uscita configurabili a gruppi di 8

• Velocità di trasmissione fino a 12 Mbit\s• Funzioni diagnostiche limitate


LSPM2

IMPIANTO

Max 32 linee I/O

Profibus

Master Profibus DP

Slave Profibus DP

LSPM2 - Collegamento


SPC3 - Caratteristiche• Collegamento con il campo per mezzo di un

microprocessore• Interfaccia SPC3-microprocessore

attraverso una dual port RAM • Nessuna limitazione al numero di I/O• Vengono fornite le routine di accesso alla

dual port RAM• Velocità di trasmissione fino a 12 Mbit\s• Sono implementati tutti i servizi dello

standard


SPC3

IMPIANTO

Profibus

Slave Profibus DP

SPC3 - Collegamento

µP

DPRAM

Master Profibus DP


ASICs VIPA

• VPC 3+:Completamente compatibile con SPC3

• VPC LS: Completamente compatibile con LSPM2


Certificazione di prodotto• I prodotti Profibus possono essere certificati presso

dei laboratori autorizzati• La certificazione garantisce che i prodotti siano

completamente conformi allo standard• Esistono laboratori di certificazione a:

NorimbergaKarlsrhueJhonson City (USA)MonacoBejing (Cina)Tokio

………..

Reti di comunicazione industriali Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e...

Documents

Transcript of Reti di comunicazione industriali Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e...