Bus per applicazioni industriali

Un insieme completo di messaggi e servizi per applicazioni industriali, una piattaforma unica per la connessione di diverse tecnologie, supporto da centinaia di produttori in tutto il mondo, riduzione dei costi di gestione: questo e molto altro promette lo standard CIP (Common Industrial Protocol) per la realizzazione di reti di connessioni in ambito industriale. Di seguito una breve descrizione delle caratteristiche principali e delle più diffuse implementazioni.

L’elevata complessità ed il crescente livello di automazione dei sistemi industriali e di controllo di processo richiedono oggi l’utilizzo di protocolli di comunicazione specifici in grado di assicurare affidabilità e prestazioni anche in applicazioni critiche. Il settore dei bus per applicazioni industriali è per questo in continua evoluzione con nuove proposte presentate all'attenzione degli utilizzatori; di seguito, in particolare, sono elencate le principali caratteristiche che un bus in tale ambito dovrebbe presentare per soddisfare la maggior parte dei requisiti utente:

➤ capacità di operare in tempo-reale, per poter identificare variazioni di stato critiche del sistema ed intervenire con tempi di reazione accettabili e comunque compatibili con la dinamica del sistema stesso;

➤ capacità di operare in maniera deterministica, eseguendo istruzioni secondo un ordine e con una sincronizzazione predefiniti;

➤ capacità di operare in configurazione ridondata, per assicurare tolleranza a malfunzionamenti delle singole parti nelle applicazioni critiche;

➤ capacità di operare in sicurezza, sia per quanto concerne gli operatori che l’impianto stesso (con l’implementazione di protezioni a diversi livelli in modo da non permettere intrusioni di personale non addetto);

➤ capacità di operare in ambienti potenzialmente ostili, caratterizzati, ad esempio, da un ampio range di temperature di lavoro, elevata contaminazione elettromagnetica, esposizioni ad agenti chimici, difficoltà di accesso da parte degli operatori;

➤ elevato livello di standardizzazione, che consenta al cliente di non essere vincolato ad un particolare produttore ma di scegliere la soluzione più conveniente in termini di costi e prestazioni rispetto alla particolare applicazione.

Oggi ci sono diverse soluzioni disponibili che rispondono a queste esigenze in modi e ambiti diversi. Una delle iniziative più interessanti è la definizione dello standard CIP (Common Industrial Protocol) supportato dalle associazioni ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) e ControlNet International. Obiettivo dello standard è la definizione di un insieme completo e coerente di messaggi e servizi che supporti le principali applicazioni nei settori industriale e dell’automazione in ambito controllo, sicurezza, sincronizzazione, movimentazione, configurazione e informazione. Tra i vantaggi principali della specifica CIP possono essere annoverati:

➤ l’integrazione di funzionalità di controllo, di I/O, di configurazione di dispositivi e di trasferimento dati;

➤ l’implementazione di reti multi-layer senza necessità di bridge o proxies complessi;

➤ la riduzione dei costi di investimento in ambito ingegneria di sistema, installazione e manutenzione;

➤ la disponibilità di produttori diversi con la conseguente possibilità di selezionare la migliore soluzione in termini di costi e prestazioni;

➤ la realizzazione di una piattaforma unica e indipendente dal mezzo fisico in grado di connettere le diverse implementazioni del protocollo nelle diverse tecnologie senza necessità di modificare lo strato applicativo.

La figura 1 mostra una schema di principio dei diversi layer previsti dallo standard; DeviceNet, ControlNet, CompoNet e Ethernet/IP sono le quattro diverse implementazioni attualmente definite. Nei successivi paragrafi è riportata in particolare una breve introduzione allo standard ed una descrizione dei protocolli DeviceNet e Ethernet/IP.

Figura 1: il protocollo CIP.

Figura 1: il protocollo CIP.

Introduzione al protocollo CIP

Lo standard CIP definisce un protocollo di comunicazione orientato ad oggetti (figura 2).

Figura 2: la struttura di una rete CIP

Figura 2: la struttura di una rete CIP

La comunicazione avviene tra nodi che sono descritti come un insieme di oggetti; un dispositivo reale può implementare uno o più nodi. Gli oggetti all’interno di un nodo sono delle rappresentazioni astratte di un particolare componente o funzionalità del dispositivo; due oggetti identici implementati in due distinti dispositivi presentano lo stesso comportamento in modo da favorire l’interoperabilità sulla rete. Gli oggetti sono strutturati in classi, istanze ed attributi. Una classe, ad esempio, è un insieme di oggetti dello stesso tipo visibili sulla rete; sono previsti classi di tipo pubblico o specifiche di un singolo produttore. Una istanza è invece una particolare implementazione dell’oggetto, mentre gli attributi servono a descriverne le caratteristiche  visibili esternamente.  I servizi, invece, definiscono le azioni che un oggetto è in grado di eseguire quando indirizzato; oltre alle operazioni elementari di scrittura e lettura sono previsti dei servizi base di protocollo che ogni nodo deve necessariamente implementare. Lo schema di indirizzamento si basa sugli identificativi di nodo (o MAC Identifier), classe, istanza, attributo e servizio. Per assicurare maggiore interoperabilità, la specifica CIP definisce dei gruppi standard di oggetti chiamati ‘Device Profile’; dispositivi reali che implementino gli stessi ‘Device Profile’ rispondono agli stessi comandi. Gli oggetti possono essere di tipo generico (message router, port, register, selection…), specifici del dispositivo o dell’applicazione (AC/DC drive, analog group, control supervisor, block sequencer…) oppure specifici della implementazione della rete (ControlNet Keeper, Ethernet Link, TCP/IP Interfac...). Nella realtà i dispositivi implementano in genere soltanto un sottoinsieme di questi. Tra i principali vi sono un manager delle connessioni, un oggetto ‘identità’, uno o più oggetti di linking specifici della implementazione della rete, un router di messaggi. L’oggetto ‘identità’, ad esempio, consente l’identificazione del dispositivo (o di una delle sue funzionalità) supportando, in particolare, gli attributi tipo, identificativo del produttore, codice di prodotto, revisione, stato, numero di serie. Il  protocollo di comunicazione previsto dallo standard CIP è di tipo connectionoriented (figura 3) e basato su uno schema produttore/consumatore intrinsecamente multi-cast, piuttosto che sorgente/destinatario, così da consentire un migliore utilizzo della banda disponibile sulla rete.

Figura 3: comunicazione di tipo connection-oriented.

Figura 3: comunicazione di tipo connection-oriented.

Ad ogni connessione attiva sulla rete è associato un identificativo (CID) univoco in base al quale i nodi target discriminano la necessità di processare il messaggio. La connessione viene stabilita da parte del nodo originator mediante invio di un messaggio di tipo UCMM Forward_Open;  il messaggio  include tutte le informazioni inerenti alla connessione richiesta tra cui il CID, l’identificativo dell’originator, il meccanismo di attivazione da utilizzare, l’eventuale path di connessione che può includere anche segmenti di routing su diverse reti, il timeout predefinito della trasmissione, la dimensione massima di dati trasferibili con un singolo messaggio. Sono previsti due tipi di connessioni:

➤ messaggi impliciti (o connessioni di I/O): comunicazioni tra l’originator ed uno o più target per la trasmissione di informazioni particolari, quali, ad esempio, controlli e comandi di attivazione. Non sono contenute informazioni di servizio in quanto si presuppone che il nodo consumatore riconosca implicitamente l’azione da intraprendere in base all’identificativo della comunicazione;

➤ messaggi espliciti: comunicazioni tra due nodi di informazioni di indirizzamento e servizio mediante un meccanismo del tipo richiesta/risposta.

DeviceNet

La prima implementazione del protocollo CIP è stato lo standard DeviceNet, introdotto nel 1994 e derivato da un subset del bus CAN. Il layer fisico, in particolare, si basa una estensione della specifica ISO 11898 che consente la connessione di fino a 64 nodi sulla rete utilizzando transceiver con migliori prestazioni; è prevista la possibilità di implementare isolamento galvanico. I cavi di connessione includono linee di segnale e di potenza; sono specificati diversi tipi di cavi e connettori (di tipo aperto od ermetico) in funzione delle diverse applicazioni.  I nodi possono essere alimentati direttamente dalla rete (come tipicamente nel caso di sensori) o mediante una linea propria (come invece nel caso di attuatori). La capacità di corrente massima per ogni alimentatore connesso alla rete è specificata in fino a 16 Ampere. Sono previste sulla rete protezioni da sovraccarico degli alimentatori, sovratensione sulle linee e contro inversioni accidentali delle connessioni; è prevista la possibilità di rimuovere dalla rete o connettervi nodi mentre questa è attiva. Il baud rate è selezionabile tra 125, 250 e 500 kBaud su distanze fino a, rispettivamente, 500, 250 e 100 metri utilizzando cavi spessi. Per quanto concerne invece l’implementazione del protocollo di comunicazione previsto dallo standard CIP, la specifica DeviceNet limita la dimensione dei messaggi ad un massimo di 8 byte per il campo dati con segmentazione dei messaggi più lunghi; è inoltre introdotto un classico schema di comunicazione di tipo master/slave che semplifica la gestione del meccanismo utilizzato per stabilire la connessione tra i nodi per la comunicazione. Tali accorgimenti tendono a ridurre la complessità della implementazione del protocollo consentendo l’utilizzo di microcontrollori piuttosto semplici e quindi economici. Tra gli oggetti specifici della rete, come accennato in precedenza, figurano i DeviceNet  Object. Gli attributi dell’oggetto contengono informazioni relative alle modalità di utilizzo della porta da parte del dispositivo connesso; tra queste vi sono, ad esempio, il MAC ID del dispositivo od il baud rate di comunicazione impostato. Il meccanismo di accesso, in accordo a quanto previsto dalle specifiche del bus CAN, prevede un arbitraggio bit a bit dell’identificativo CAN del messaggio; all’interno dell’identificativo CAN sono in particolare codificati il MAC ID ed il Message ID. Per evitare quindi collisioni con dispositivi aventi lo stesso identificativo di nodo, ogni nodo deve superare una procedura di accesso alla rete all’atto della connessione. Tale procedura prevede che il nodo invii un particolare messaggio che contiene appunto l’identificativo di nodo oltre a vendor ID e numero di serie. Se è già presente un altro nodo con gli stessi identificativi, questo deve inviare un messaggio di risposta che forza il primo nodo ad andare in uno stato di off-line. Sono quindi previsti dei messaggi specifici per comunicare con nodi off-line presenti sulla rete per consentire di modificare il MAC ID.

EtherNet/IP

Il protocollo Ethernet/Industrial Protocol (EtherNet/IP), introdotto nel 2000, implementa lo standard CIP sulla base della specifiche Ethernet TCP/IP. Sebbene tale standard non nasca espressamente per applicazioni di tipo deterministico come invece spesso richiesto in ambito industriale, l’adozione di opportuni accorgimenti nella configurazione della rete permette di ottenere prestazioni adeguate. L’utilizzo, ad esempio, di matrici di switching wire-speed e di switch full-duplex consente di evitare collisioni sulla rete serializzando, mediante una coda, eventuali messaggi inviati contemporaneamente allo stesso nodo destinazione. Il layer fisico dell’EtherNet/IP adatta le raccomandazioni dello standard Ethernet (in termini ad esempio di specifiche di assemblaggio di cavi e connettori, isolamento dei nodi o grounding del sistema) alle applicazioni in ambienti industriali definendo due diversi livelli: Commercial Off The Shelf (COTS) EtherNet/IP per applicazioni IP20 e Industrial EtherNet/IP in grado di soddisfare requisiti IP67. I connettori specificati sono di tipo RJ-45, eventualmente ermetico, e D-coded M12-4. I cavi sono di categoria 5 e 6 schermati o non; per distanze oltre i 100 metri, in applicazioni caratterizzate da elevato rumore elettromagnetico o in presenza di elevata differenza di potenziale tra i diversi dispositivi connessi alla rete sono raccomandate connessioni in fibra. L’implementazione della specifica CIP si basa sul protocollo TCP/IP; considerata la dimensione massima supportata dei frame Ethernet non è prevista in genere frammentazione dei messaggi. Le connessioni, come previsto dallo standard CIP, sono stabilite mediante messaggi UCMM Forward_Open.  I messaggi espliciti sono inviati mediante connessione TCP mentre quelli impliciti utilizzano frame UDP; per i dettagli sulle modalità in cui i  messaggi sono incapsulati nei frame Ethernet si rimanda alla specifica. Le reti CIP possono quindi facilmente essere integrate mediante router in network preesistenti e basati su Ethernet; le applicazioni CIP appaiono semplicemente come un servizio aggiuntivo sulla rete. La specifica richiede, d’altra parte, che tutti i dispositivi  EtherNet/IP  supportino applicazioni di base quale IP, UDP, TCP, ARP, ICMP, IGMP e IEEE 802.3; il supporto per HTTP, Telnet ed FTP non è espressamente specificato ma fortemente raccomandato. Oggetti specifici della implementazione EtherNet/IP sono i TCP/IP Object per la configurazione (indirizzo IP, network mask e gateway address) della interfaccia di rete TCP/IP di un nodo e Ethernet Link Object per la gestione dell’interfaccia Ethernet. L’indirizzo IP può essere configurato mediante procedura BOOTP (Boot-strap protocol), DHCP o mediante servizio dedicato Set_Attribute.

Estensioni della specifica CIP: CIP Safety,  CIP Sync e CIP Motion

CIP Safety, CIP Sync e CIP Motion sono estensioni della specifica CIP per applicazioni che richiedano particolari caratteristiche quali un controllo fine di parametri in tempo reale od il  trasporto di dati con elevata integrità.

CIP Safety definisce un livello nel protocollo di comunicazione per la realizzazione di reti sicure. Diversamente dalle classiche applicazioni, le funzionalità di controllo e gestione degli aspetti di sicurezza sono localizzate nei nodi periferici piuttosto che nella struttura stessa della rete; invece di assicurare, ad esempio, una trasmissione senza errori, il protocollo prevede l’implementazione di particolari oggetti nei nodi che rilevino l’integrità della trasmissione ed attuino le opportune azioni in presenza di malfunzionamenti. Tra i vantaggi principali della soluzione CIP Safety, vi sono facilità di installazione e riduzione dei costi grazie alla possibilità di far coesistere sulla stessa rete nodi che implementino o meno le funzionalità di sicurezza pur utilizzando gateway e router standard.

➤ CIP Sync è, invece, il livello per la sincronizzazione in tempo della rete; basato sullo standard IEEE-1588 consente di raggiungere una sincronizzazione dei clock dei nodi entro 200ns utilizzando una struttura master/slave. Compatibile con le topologie standard delle reti Ethernet, permette di realizzare reti sincronizzate non schedulate.

➤ CIP Motion, nella implementazione EtherNet/IP del protocollo CIP, infine, fornisce una soluzione aperta, ad elevate prestazioni per il controllo distribuito della movimentazione su più assi. Utilizzando i servizi del protocollo CIP Sync, permette di sincronizzare le attuazioni mediante time-stamping dei comandi che devono essere eseguiti e delle informazioni di stato. Si riesce, ad esempio, in questo modo a coordinare fino a 100 assi con tempo di aggiornamento fino a 1ms.

 

 

 

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