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INDUSTRIAL ETHERNET E BUS DI CAMPO: Analisi e confronto nell'ambito dell'automazione industriale
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- Elaborato di laurea di Bocca Maurizio e Citterio Augusto -
Anno accademico 2002/2003
Questa tesi si colloca nell’ambito dello studio delle tecniche di comunicazione in automazione industriale. In particolare vuole essere uno strumento per chi desidera accostarsi alle problematiche e alle principali soluzioni proposte dal mercato per quanto riguarda l’utilizzo del bus nelle comunicazioni tra dispositivi di campo (sensori, attuatori, controllori).
L’uso di tecniche di comunicazioni digitali e del bus come mezzo fisico di trasporto dell’informazione ha cominciato a diffondersi ai livelli inferiori del CIM (Computer Integrated Manufacturing) e, per i vantaggi offerti, sembra destinato a soppiantare la tecnologia tradizionale, con topologia a stella, basata su segnale analogico 4-20 mA.
Tali vantaggi possono essere sintetizzati nei seguenti punti:
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Riduzione del cablaggio, del relativo costo e degli errori di installazione |
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Utilizzo di dispositivi sempre più “intelligenti”, che consentono la realizzazione di un controllo distribuito e introducono nuove potenzialità (diagnostica avanzata, autoregolazione, autoconfigurazione...) |
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Possibilità di comunicazioni Multicast |
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Facile espansione e modularità |
I problemi principali sono invece i seguenti:
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Lo stesso mezzo fisico (il bus) è condiviso da tutti i dispositivi: devono essere adottati opportuni meccanismi di accesso. |
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La trasmissione digitale comporta la codifica di un informazione su più bit, questi sono trasmessi serialmente: viene introdotto perciò un ritardo nella trasmissione dell'informazione stessa |
Questi elementi possono causare difficoltà nel rispetto dei requisiti temporali in applicazioni real-time.
Solo recentemente si è conclusa la fase di standardizzazione a livello internazionale per quanto riguarda i bus di campo, il mercato è ormai maturo e ci sono forti investimenti nel settore, anche di tipo pubblicitario: questi spesso creano confusione nell'utente finale. Si tratta quindi di un argomento di estrema attualità che merita di essere approfondito.
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Presentare in modo chiaro e sintetico alcuni tra i più diffusi bus di campo: Fieldbus Foundation, Profibus, Modbus, Can e Devicenet. |
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Analizzare e presentare le caratteristiche di Ethernet che si sta facendo avanti, seppur con qualche difficoltà, in ambito industriale e che, secondo alcuni, finirà per sostituire i bus di campo. |
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Effettuare un confronto tra le diverse tecniche di comunicazione prese in esame. |
La prima parte della tesi è dedicata all'analisi delle tecniche di comunicazione prese in esame. Per favorire il confronto si è scelta una struttura comune nella presentazione. Nella tesi riportiamo una breve sintesi delle caratteristiche principali, in opportune tabelle comparative.
Nella seconda parte viene svolta un’analisi comparativa. Nel sottolineare le principali differenze delle diverse tecniche di comunicazione, si è anche svolto:
Un'analisi specifica del ruolo di Ethernet in contrapposizione ai fieldbus.
Un tentativo di classificazione delle diverse tecniche e di identificazione degli ambiti ottimali di utilizzo di ciascuna.
Abbiamo infine riportato alcuni esempi applicativi, sia per capire meglio il funzionamento delle tecniche trattate, sia per guardare a dei casi reali e avere la possibilità di verificare gli effettivi vantaggi apportati dall’utilizzo di questa tecnologia.
Ogni applicazione industriale deve soddisfare diverse esigenze, in termini di costo, di complessità e di requisiti specifici. Per realizzare un sistema di automazione è necessario in primo luogo identificare queste necessità e quindi scegliere la soluzione più adatta a soddisfarle. Risulta perciò molto importante conoscere le caratteristiche principali delle diverse soluzioni adottabili, sia per il progettista sia per il committente.
Abbiamo analizzato Fieldbus Foundation, Industrial Ethernet, Profibus, Modbus, Can, Devicenet, evidenziandone i tratti essenziali, in modo da fornire una conoscenza di base sulle diverse tecniche di comunicazione a livello di campo.
Questo ci ha permesso di mettere in luce, nella parte di analisi comparativa, pregi e difetti di ciascuna tecnica. Si è inoltre cercato di identificare alcune caratteristiche di generiche applicazioni industriali (process automation vs manifacturing automation), in modo da poter identificare il sistema di comunicazione più adatto tra quelli presi in esame. E’ infatti chiaro che ogni tecnica di comunicazione va valutata in base alle esigenze richieste al sistema di automazione.
In particolare si è visto che Fieldbus Foundation H1 è particolarmente adatto all’automazione di processo che richiede lunghezze elevate del mezzo fisico, specifiche stringenti per quanto riguarda la temporizzazione e, spesso, sicurezza intrinseca e alimentazione tramite bus.
Modbus RTU/ASCII è adatto per applicazioni molto più semplici, che necessitano tuttavia di determinismo, per le quali è adeguato l’approccio master/slave.
Can e Devicenet sono invece molto usati per connettere semplici dispositivi quando, pur non rinunciando completamente al determinismo, si privilegiano velocità di risposta mediamente elevate. Inoltre il progetto del sistema risulta semplificato e si può godere dei vantaggi dell’approccio peer-to-peer o multimaster.
Per quanto riguarda l’introduzione di Ethernet come mezzo di comunicazione a livello di campo, si è giunti alla conclusione che, per il momento, non esistono i presupposti perché esso abbia il sopravvento sui fieldbus. Tuttavia può svolgere un ruolo fondamentale di interconnessione e di mezzo di comunicazione a livello di cella.