Unità di governo

Unità di governo
I sensori rilevano lo stato delle grandezze fisiche della parte operativa e le convertono in un formato
adatto alla elaborazione elettronica da parte del calcolatore di processo contenuto nell’unità di
governo, che aziona gli attuatori.
Sistemi di controllo digitali ‘real time’
Un sistema si dice real time quando le risposte fornite sono corrette se, oltre alla correttezza logica,
sono disponibili entro limiti temporali (deadline) fissati.
• Un sistema real time si dice hard quando è assolutamente obbligatorio che la risposta sia
disponibile entro la deadline richiesta
• Un sistema real time si dice soft quando il sistema funziona correttamente anche quando la
dead-line
dead
line è occasionalmente non rispettata
I sistemi di controllo “in tempo reale” fanno uso di un sistema operativo detto sistema esecutivo che
guidato da eventi (interruzioni) di origine interna o esterna al sistema determina l’esecuzione di
particolari programmi in tempo reale
reale.
Gli eventi possono essere
• periodici
• non periodici
– aperiodici: frequenza di arrivo illimitata
– sporadici: frequenza di arrivo limitata
Controllore Logico Programmabile (PLC).
Un PLC implementa la stessa rete logica di un sistema elettromeccanico, operando in sequenza con
istruzioni di tipo logico (chiuso/aperto) che sostituiscono perfettamente gli stati dei relè.
L logica
La
l i parallela
ll l dello
d ll schema
h
elettromeccanico
l tt
i è sostituita
tit it neii PLC da
d una logica
l i seriale,
i l tuttavia
t tt i la
l
rapidità di ciclo della CPU è di diversi ordini di grandezza superiore a quella degli interruttori
meccanici; pertanto l'esecuzione del programma, avviene comunque in tempi molto rapidi e il tempo
di reazione del PLC a variazioni degli ingressi o degli stati risulta inferiore a quello della
corrispondente struttura a relè.
Microcontrollori
Un microcontrollore è un dispositivo integrato caratterizzato da un core di microprocessore più
periferiche on-chip che lo rendono adatto ad applicazioni di controllo, quali:
•
interfaccie seriali
•
convertitori A/D
•
contatori
•
gestione HW degli eventi
•
input capture e output compare
•
timer di watchdog
•
uscite PWM
•
unità floating point
Molti microcontrollori sono dispositivi RISC (Reduced Instruction set Computer)
Computer). In questi sistemi le
istruzioni (poche) che sono più spesso utilizzate vengono implementate per via hardware.
DSP
I Digital Signal Processor (DSP) sono processori con architettura ottimizzata per il trattamento dei
segnali. Essi adottano un’architettura interna di tipo Harvard, cioè con memoria dati separata dalla
memoria di programma.
Le due memorie sono collegate all’unità di calcolo per mezzo di due o più bus fisicamente separati.
Ciò consente di caricare l’istruzione successiva prima del completamento di quella corrente, ed inoltre
rende
e de poss
possibile
b e l’accesso
accesso s
simultaneo
u ta eo a variabile
a ab e ((memoria
e o a dat
dati)) ed a coe
coefficiente
c e te ((memoria
e o a d
di
programma).
DSP
Altre caratteristiche peculiari dei DSP sono:
– presenza di unità di moltiplicazione e accumulazione (MAC)
– utilizzo di pipelines
I DSP sono stati sviluppati originariamente per eseguire algoritmi di filtraggio digitale in tempo reale.
Problema comune alla maggior parte di tali algoritmi è quello di calcolare nel minimo tempo possibile
l’espressione:
Ovvero di eseguire l’operazione
l operazione Multiply and Accumulate (MAC)
Per massimizzare la velocità di esecuzione di algoritmi di filtraggio digitale, queste operazioni nei DSP
sono eseguite
g
in un singolo
g
ciclo macchina per
p via hardware da un’opportuna
pp
unità di calcolo, detta
appunto MAC, piuttosto che per via software come nei microprocessori general purpose.
Una pipeline è un meccanismo che consente di caricare ed eseguire con un forte grado di
parallelismo più istruzioni
PC INDUSTRIALI
Il Personal Computer industriale rappresenta una soluzione ancora poco diffusa, in applicazioni di
controllo di processo, per ragioni di difficile accettazione a fronte di strutture dedicate e consolidate,
come i PLC.
Sono comunque ormai diffusi sistemi operativi che garantiscono la ripartizione precisa dei diversi
programmi, i quali vengono eseguiti in parallelo (multitasking), in finestre temporali prefissate
rigorosamente con un sincronismo che consente l’esecuzione
l esecuzione di cicli di operazioni veloci e affidabili
(preemptive), adatti anche all'implementazione di algoritmi di regolazione.
Trasmissione dei segnali
Oltre che con i sensori e gli attuatori, l’unità di governo scambia informazioni:
•
con l’operatore umano che supervisiona l’impianto
•
con altre unità di governo di impianti che debbano essere sincronizzati con quello in esame
•
con i livelli superiori del sistema di automazione e gestione della fabbrica o del processo di
produzione.
Trasmissione dei segnali
Le caratteristiche principali di ogni sistema di trasmissione dei dati sono:
• Mezzo fisico
• Modalità di trasmissione
Le principali caratteristiche dei mezzi fisici di trasmissione dei segnali sono:
• banda passante (misurata in bit/s ),
• immunità ai disturbi,
• lunghezza massima consentita senza necessità di ripetitori
• costo
• durata
• affidabilità.
Mezzi fisici per la trasmissione dei segnali
Doppino telefonico
È costituito da una coppia di conduttori di rame, isolati e
intrecciati, schermati rispetto ai disturbi da una semplice calza
conduttrice. Un cavo può contenere da diversi doppini (da due
fino a qualche centinaio).
Il pregio principale è il basso costo a fronte di prestazioni
limitate (tipicamente 1 Mbit/s per collegamenti inferiori al
chilometro), a causa della ridotta immunità ai disturbi.
Cavo coassiale.
Comprende a partire dall'esterno un rivestimento, una maglia
conduttrice
d tt i
di fili intrecciati
i t
i ti per la
l schermatura,
h
t
un dielettrico
di l tt i
(teflon) e il conduttore (rame).
Consente di raggiungere velocità di trasmissione fino a 10
Mbit/s) per distanze fino a 10 km.
Mezzi fisici per la trasmissione dei segnali
Fibra ottica
Il segnale si trasmette per riflessione totale
attraverso un dielettrico che costituisce il
nucleo, circondato da un mantello con indice
di rifrazione più basso. La maggiore immunità
ai disturbi è legata al disaccoppiamento del
segnale ottico rispetto a quello elettrico.
elettrico
È
costosa.
Onde convogliate.
Un segnale alla frequenza di qualche centinaio di kHz e di ampiezza modesta (dai 50 mV ai 200 mV),
viene sovrapposto alla tensione di rete nell'intorno dell'istante in cui si annulla.
Ne risulta una
g 20 ms;.
;
trasmissione molto lenta,, 1 bit ogni
Onde radio
Apre la possibilità di comunicazione a grande distanza superando il limiti degli altri mezzi fisici.
Ethernet.
gg g
velocità elevate, fino a 100 Mbps.
p
Consente di raggiungere
Modalità di trasmissione
Collegamento analogico
La soluzione più semplice per la trasmissione di segnali è costituita dal collegamento analogico
diretto tra l'unità
l unità di comando e il componente
utilizzando segnali di tensione o di corrente.
corrente
E’
E
necessario un numero elevato di collegamenti unidirezionali per trasmettere ciascuno dei segnali che
vengono scambiati in forma analogica. Il collegamento analogico ha il vantaggio della elevata velocità
dal momento che tutti gli scambi di segnale possono avvenire contemporaneamente, ma comporta
anche notevoli problemi di montaggio e riconfigurazione oltre ad una notevole sensibilità ai disturbi.
Collegamento Parallelo
I bit che costituiscono la parola elementare (da 8 a 32) vengono trasmessi contemporaneamente su un
numero
u e o corrispondente
co spo de te di
d conduttori,
co dutto , riuniti
u t in un
u cavo
ca o flessibile,
ess b e, detto bus di
d sistema.
s ste a Co
Considerata
s de ata la
a
necessità di mantenere il parallelismo dei dati per evitare uno sfasamento in ricezione dei bit di una
stessa parola, questo mezzo di trasmissione è riservato allo scambio di dati all'interno di singole
apparecchiature (Stazioni di lavoro, CNC, PC ) e a distanze limitate a poche decine di centimetri.
Modalità di trasmissione
Collegamento Seriale
Nei collegamenti seriali la comunicazione avviene su una o due coppie di conduttori. Da un lato del
collegamento un opportuno dispositivo estrae i singoli bit della parola elementare e li instrada uno
dopo l’altro sulla linea di comunicazione, dall’altro lato un
secondo dispositivo ricostruisce
l’informazione trasmessa.
I collegamenti seriali si differenziano in base:
• all modo
d di collegamento
ll
t (simplex,
( i l
half
h lf duplex,
d l
full
f ll duplex,
d l
bus).
b )
• al modo di trasmissione (asincrono o sincrono).
• alla codifica (RZ, NRZ, Manchester ecc.).
• al protocollo di comunicazione, cioè l’insieme delle regole che consentono a due o più utenti di
comunicare tra loro comprensibilmente ( RS 232, RS 422, RS 485, ecc.).
Modo di collegamento
I possibili modi di collegamento sono:
• Simplex – I dati sono trasmessi
in una sola direzione, normalmente da un dispositivo
i t lli
intelligente
t ad
d uno di sola
l ricezione,
i
i
senza conferma.
f
• Half duplex – I dati sono trasmessi in entrambe le direzioni, ma alternativamente e sulla stessa
linea. I due sistemi si commutano dallo stato di trasmissione a quello di ricezione e viceversa.
• Full duplex – I dati possono essere trasmessi tra due sistemi contemporaneamente in modo
bidirezionale. Normalmente si utilizzano due linee separate
• Bus – I dati sono trasmessi tra un sistema mittente ed uno o più sistemi riceventi.
Modo di trasmissione
Trasmissione asincrona – E’ orientata al carattere od al singolo byte ed è usata quando i dati da
trasmettere sono generati ad intervalli casuali (immissione dati da tastiera, allarmi ecc.). Ogni singolo
dato viene trasmesso quando è disponibile e negli altri intervalli la linea di trasmissione resta in stato
di attesa. L’intervallo
L’i
ll tra due
d
bytes
b
successivi
i i è casuale,
l ma il dispositivo
di
ii
di ricezione
i
i
è in
i grado
d di
riconoscere, grazie all’aggiunta di bit di controllo l’inizio e la fine di ogni byte (start bit e stop bit).
Trasmissione sincrona - E
E’ usata per la trasmissione di blocchi preformati di dati e permette di
ottenere
una maggiore velocità di trasmissione rispetto alla modalità asincrona. I bytes sono
trasmessi uno dopo l’altro senza intervalli, appositi caratteri identificano l’inizio e la fine dei frames di
bytes trasmessi. Il ricevitore mantiene il sincronismo col trasmettitore estraendo il segnale di clock
dallo stesso segnale trasmesso.
Codifica
La codifica dei dati specifica la modalità con cui i segnali binari logici 0 e 1 vengono rappresentati
attraverso livelli di tensione per essere trasmessi sulla linea di comunicazione.
Codifica
• Codifica a livelli - Ai segnali 0 e 1 corrispondono due livelli di tensione prefissati. Può creare
problemi per i mezzi trasmissivi con caratteristiche di filtro passabanda in cui viene cancellata
la componente continua.
• Codifica NRZ - Ai due segnali logici corrispondono rispettivamente un segnale di tensione
positiva o negativa (es. +5V e -5V). Il valor medio del segnale è idealmente nullo.
• Codifica
C difi NRZ
NRZ-II – Si ha
h una transizione
t
i i
del
d l livello
li ll del
d l dato
d t solo
l quando
d il segnale
l da
d trasmettere
t
tt
è "1"; al termine della transizione il segnale si mantiene costante al livello raggiunto per tutta la
durata del ciclo. Se il segnale da trasmettere è "0" invece non vi è transizione.
• Codifica RZ - La codifica è su livelli di tensione di segno opposto, ma ogni volta il segnale
ritorna a 0V per lo stesso tempo in cui è stata a livello. Ha un numero di fronti doppio rispetto al
NRZ-1 e consente una migliore sincronizzazione in fase di ricezione.
• Codifica Manchester - Al segnale logico 0 corrisponde una transizione da -5V a + 5V, e a 1 la
transizione inversa da +5V a -5V. La transizione utile all'identificazione del segnale si verifica a
metà del ciclo, e data la sua regolarità, fornisce anche un segnale di clock.
• Codifica Manchester differenziale - Si verifica una transizione a metà di ogni ciclo del segnale,
che funge anche da clock. Il valore del bit viene identificato dalla presenza o assenza di una
transizione anche all'inizio del ciclo. In corrispondenza di "0" si avrà all'inizio del ciclo una
transizione; in caso di "1" non vi sarà invece transizione all'inizio del ciclo.
Protocolli di comunicazione seriali
Prima della trasmissione ciascuno dei bit di ogni byte viene disposto ordinatamente in una sequenza,
a cui vengono aggiunti i bit di controllo. All’altro capo della linea i bit che giungono in modo seriale
sono decodificati, per individuare quelli significativi e disporli nell'ordine corretto. Le operazioni di
codifica
difi e di decodifica
d
difi sono svolte
lt da
d dispositivi
di
iti i d
detti
tti porte
t seriali.
i li
L’insieme delle regole che consentono a due o più utenti di comunicare tra loro comprensibilmente
costituiscono il protocollo di trasmissione che segue alcuni standard ben definiti tra cui:
• RS 232
• RS 422/423
• RS 485
• USB
• IEEE 1394
• Bus di campo
Protocolli di comunicazione seriali
RS-232
E’ impiegata nella versione ridotta con solo 3 linee (invece di
25). E’ una comunicazione bidirezionale mediante cavo
schermato. Raggiunge una velocità di trasmissione di 19,2
kbit/s ed è usata per
comunicazioni punto a punto. La
distanza massima consentita è di 15 metri. Il segnale in
tensione è trasmesso su una singola linea e riferito a una
massa comune.
comune
RS-422/423
L’interfaccia RS-422 differisce dalla RS-232 in quanto la
trasmissione avviene in maniera differenziale su due linee, e
consente prestazioni più elevate (fino a 10 Mbit/s e distanze
fino a 1200 m) perché vi è una maggiore immunità ai disturbi
di modo
d comune; questo
t protocollo
t
ll può
ò essere usato
t per
collegamenti seriali da un trasmettitore a più ricevitori.
L'interfaccia RS-423 è molto simile alla RS-422 quanto a
velocità e tipo
p di collegamento,
g
tranne che per
p
il tipo
p di
trasmissione su una sola linea con riferimento a massa.
Protocolli di comunicazione seriali
RS 485
RS-485
L’RS-485, viene usata negli schemi
multipunto per reti locali, permette di
raggiungere velocità di 1 Mbit/s su
distanze
dell'ordine
del
chilometro
collegando per ogni linea fino a un
trasmettitore e 32 dispositivi ricevitori,
grazie
i alla
ll più
iù bassa
b
impedenza.
i
d
USB
Nei PC di recente produzione, sia di uso generale sia per uso industriale, è normalmente in dotazione
un'interfaccia seriale con prestazioni superiori denominata USB (Universal Serial Bus). La velocità
massima è di 12 Mbit/s. Una singola porta USB può connettersi fino a 127 dispositivi. Benché pensata
inizialmente per collegare i componenti da ufficio (mouse, modem, stampanti), essa è impiegata anche
per collegare componenti di tipo industriale.
IEEE 1394
Lo standard seriale IEEE 1394 è ancora più veloce (fino a 400 Mbit/s) ed è di particolare utilità per
garantire la trasmissione di quantità ingenti di dati a frequenze elevate e garantite. Tuttavia queste
prestazioni sono riservate alla gestione di immagini per i componenti video e il costo elevato non si
giustifica per le esigenze complessivamente inferiori degli apparecchi industriali.
Connessione in rete locale di campo
La sincronizzazione tra più macchine automatiche, richiede la connessione delle parti operative in una
rete locale di campo, contraddistinta da operazioni in tempo reale ed elevata efficienza.
Per definire le modalità con cui l'informazione fornita dal singolo componente o ad esso inviata, viene
codificata, trasformata e instradata sul supporto fisico è stato sviluppato il modello ISO/OSI (Open
System Interconnession) che descrive il processo di scambio di informazioni tra due o più sistemi
mediante una struttura a 7 livelli, ciascuno relativo a una parte delle operazioni; ogni livello accetta i
dati provenienti dal livello superiore, esegue le operazioni di sua pertinenza e invia il risultato al livello
inferiore fino a raggiungere il supporto fisico; alternativamente il flusso dei segnali si svolge in
maniera inversa, dal supporto fisico alla rete.
Protocolli per reti locali di campo
Per soddisfare il requisito di risposta in tempo reale del sistema di comunicazione in rete locale di
campo si ricorre ad un’alta velocità di trasmissione (1/12 Mb/s) e si adotta una versione semplificata
del modello di interconnessione di riferimento per sistemi aperti OSI. In pratica si saltano i livelli
compresii tra 3 e 6,
6 iin modo
d da
d eliminare
li i
i relativi
l i i tempii di attraversamento.
Non è stato però ancora definito un protocollo standard per l'implementazione dei livelli 1, 2 e 7.
Diversi comitati, hanno elaborato alcune proposte, che cercano di affermarsi come scelta unica.
•
•
•
•
•
•
•
Profibus (PROcess FIeld Bus)
CAN
SERCOS
INTERBUS-S
WORLD-FIP
FF ( Fieldbus Foundation)
P-NET
Protocolli per reti locali di campo
I 3 livelli utilizzati per i bus di campo sono:
Livello 7 (Applicazione) - Definisce gli oggetti interessati alla comunicazione, le modalità di scambio
dei dati (Master/Slave, Client/Server, Token bus, Token ring ecc.), le eventuali liste di priorità e le
sequenze di interrogazione
interrogazione, i servizi offerti (programmi per lo scambio di dati
dati, gestione di allarmi,
allarmi
accesso alla memoria ecc.)
Livello 2 (Data Link) - Il livello di connessione e di accesso al mezzo è stato ulteriormente definito da
uno standard IEEE (802) recepito dalla ISO che prevede una suddivisione in 2 sottolivelli detti
rispettivamente LLC (Controllo di connessione logica - Logical Link Control) e MAC (Controllo di
accesso al mezzo - Medium Access Control).
Il sottolivello LLC definisce le modalità di accesso al livello superiore (Livello 7 in questo caso) in
maniera unica per tutti i tipi di rete.
Il sottolivello MAC prevede diverse norme ciascuna relativa a una modalità di accesso (Master/Slave,
CSMA/CD, Token Bus, Token Ring) e realizza quindi il collegamento con il livello 1 (Mezzo Fisico)
Livello 1 (Mezzo fisico) - Definisce il supporto fisico della rete (Doppino, cavo coassiale ecc.) e
ll'interconnessione
interconnessione dei nodi della rete (Bus
(Bus, Albero,
Albero ecc.).
ecc )
Profibus
A livello 1 lo standard utilizzato è il collegamento seriale RS485 su doppino intrecciato e schermato. È
i corso di definizione
in
d fi i i
la
l specifica
ifi
per l’uso
l’
su fibra
fib
ottica.
tti
La
L topologia
t
l i è del
d l tipo
ti
ad
d albero
lb
espandibile con l'uso di ripetitori e la trasmissione digitale è codificata NRZ.
Il livello 2 di collegamento dei dati prevede la distinzione dei componenti collegati in stazioni attive
che comunicano tra loro con la tecnica del Token Ring che evita collisioni sul bus e definiscono di
fatto una struttura Multimaster, in cui cioè il ruolo di master è svolto a turno, e stazioni passive che
possono accedere al mezzo secondo il metodo master/slave solo su richiesta delle stazioni attive.
Il livello 7 descrive le operazioni come manipolazioni di oggetti, intendendo con ciò tutte le variabili di
sistema, i programmi, i sottoprogrammi grazie a cui si possono implementare anelli di regolazione e
altre operazioni. La distribuzione delle informazioni avviene secondo il modello gerarchico
client/server.
Profibus
Per applicazioni di automazione è stato sviluppato un livello di gestione dei componenti di campo
detto PROFIBUS-PA (Process Automation), costituito da una struttura lineare su cui sono connessi i
diversi componenti del processo (segnali di I/O, trasmettitori di misure, segnali per posizionatori) e
collegata ad un master che fornisce anche l’alimentazione ai componenti. Come livello 1 in questo
caso si utilizza il protocollo impiegato per impianti chimici e petrolchimici (IEC 1158-2, velocità max
31.25 kbit/s).
CAN
S il
Sviluppato
t per applicazioni
li
i i dedicate
d di t all'industria
ll'i d t i automobilistica,
t
bili ti
CAN d
definisce
fi i
solamente
l
t i 2 livelli
li lli
inferiori (1 e 2) mentre il livello applicativo può essere sviluppato con altri protocolli.
Il livello fisico è caratterizzato dall'uso
dall uso di doppino intrecciato e topologia a bus, su cui sono affacciati
sia l'unità di comando, sia i diversi componenti (azionamenti, sensori, ecc.).
La velocità di trasmissione dei dati va da un minimo di 5 kbit/s (per distanze fino a 20 km) a un
massimo di 1 Mbit/s (per distanze fino a 40 m).
CAN
Il livello 2 è realizzato secondo un protocollo definito CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with
Collision Avoidance). Ogni nodo è caratterizzato da un identificatore (una sequenza di bit) che lo
caratterizza e ne stabilisce la priorità. I nodi possono iniziare la trasmissione contemporaneamente,
ma non appena rilevano sulla linea l'identificatore di un nodo di livello superiore, interrompono la
trasmissione. Grazie all'identificatore ogni nodo può valutare se il segnale che circola sulla rete è di
suo interesse o meno. Il sistema di accesso viene quindi definito multimaster con gestione distribuita
della priorità.
Sono stati sviluppati anche sistemi applicativi basati sul CAN-Bus tra i quali DEVICENET, SDS (Smart
Distributed Systems) e CAL (Can Application Layer), che comprendono pure il livello applicativo e
quello utente. I bassi costi li rendono concorrenziali con gli altri standard, anche perché è spesso
possibile adottare la soluzione CAN per scopi specialistici all’interno di un processo governato da un
altro standard.
standard
SERCOS
Il protocollo di comunicazione SERCOS è specificamente rivolto al controllo di azionamenti elettrici.
Esso è caratterizzato da una rigida temporizzazione, elevate velocità e potenza di calcolo, grazie a cui
possono essere implementati gli anelli di regolazione più veloci,
veloci in particolare nel caso di gruppi di
azionamenti strettamente correlati (giunti di robot o assi di macchine utensili).
SERCOS
Il livello fisico è realizzato con fibra ottica per assicurare le massime velocità (fino a 2-4 Mbit/s), con
una topologia ad anello che collega l'unità di controllo ai vari azionamenti (ad es. in un processo
discontinuo di automazione o robotica)
robotica).
Il livello 2 è caratterizzato da una rigida struttura Master/Slave, in cui l'unità di comando (Master)
p di ciclo fra i vari azionamenti. Nella frazione di tempo
p ad essi riservata ciascuno
suddivide il tempo
invia o riceve il messaggio richiesto. Il tempo minimo di ciclo è di 62 ms, che assicura
l'implementazione di anelli veloci (es. di coppia) in un singolo azionamento, oppure l'implementazione
di anelli di velocità e posizione contemporaneamente per un numero di azionamenti fino a qualche
decina.