Manuale di comunicazione Ethernet Ethernet in industrial ...download.lenze.com/TD/Ethernet__Ethernet in industrial applications... · Nozioni di base Porte 2 6 EDSETHIND IT 3.1 2.7

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Manuale di comunicazione

Ethernet

�

Ethernet nelle applicazioni industriali

L−force Communication

Sommarioi

� 2 EDSETHIND IT 3.1

1 Introduzione 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Nozioni di base 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 Determinismo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Jitter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Tempo di ciclo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 Switched Ethernet 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5 Procedura con assegnazione di time slot 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6 Sincronizzazione di clock 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7 Porte 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.8 Hub o switch 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9 Indirizzamento 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9.1 Esempio 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9.2 Classi di reti 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9.3 Indirizzi IP riservati 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9.4 Assegnazione dell’indirizzo IP 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet" 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 Ethernet/IP� (CIP Sync) 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1 Principio 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.2 Architettura di rete / Topologia 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 EtherCAT® 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Principio 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3.3 PROFINET® 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1 Principio 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3.4 Ethernet POWERLINK 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1 Principio 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3.5 SERCOS III 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.1 Principio 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


Introduzione 1

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1 Introduzione

Il sistema di rete Ethernet, che ha avuto origine nell’ambiente di ufficio, viene ora semprepiù utilizzato anche in ambito industriale. Si tende ormai a dotare tutti i dispositivi di retedi un collegamento Ethernet e si ricorre sempre meno al classico bus di campo. I livelli diufficio e di campo crescono sempre più in correlazione tra loro.

Oltre all’ambito di applicazione, cambiano anche i requisiti della rete Ethernet. Mentrenell’ambiente di ufficio si trasferiscono prevalentemente grosse quantità di dati tra PC, lacomunicazione tra dispositivi di campo è essenzialmente costituita da telegrammi moltobrevi. Di conseguenza, a livello di campo sono richiesti tempi di risposta molto rapidi,nonché altamente deterministici (� 4) − requisiti che la "normale" Ethernet non è in gradodi soddisfare. Queste mutate esigenze hanno inoltre portato allo sviluppo di diversiprotocolli per l’hardware Ethernet che a volte prevedono una separazione tra le lineeEthernet in tempo reale e le normali reti Ethernet.

In particolare, i moduli di comunicazione sviluppati da Lenze rispondono ai requisiti deiseguenti protocolli Ethernet:

ƒ Ethernet

ƒ Ethernet POWERLINK

ƒ PROFINET®

ƒ EtherCAT®

ƒ EtherNet/IP�

Nella sezione seguente vengono brevemente spiegati i meccanismi fondamentali diEthernet, con una panoramica delle differenze tra i diversi protocolli Ethernet einformazioni sull’architettura della rete Ethernet.

Nozioni di baseDeterminismo

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2 Nozioni di base

All’inizio degli anni ’70 presso lo "Xerox Palo Alto Research Center" si iniziò a pensare acome fare in modo che diversi impiegati potessero condividere l’uso di una stampante,finché nel 1983 fu presentato il primo standard Ethernet (IEEE802.3). Da allora si ècontinuato a svilupparlo e migliorarlo e ancora oggi nel protocollo Ethernet sono presentialcuni dei meccanismi originari, che tuttavia ne rendono difficoltoso l’impiego in ambiti aldi fuori dell’ufficio, in particolare il problema delle collisioni.

Diverse organizzazioni hanno nel frattempo avviato attività di sviluppo per renderepossibile l’utilizzo dello standard Ethernet anche in campo industriale, con la redazione didiverse specifiche in concorrenza tra loro. Le più importanti vengono brevemente illustratenelle sezioni seguenti, in particolare il sistema bus di campo tra cui EtherCAT, promosso daLenze. Di seguito viene fornita la spiegazione di alcuni concetti chiave, mentre più avantisono illustrati in sintesi i diversi sistemi, con presentazione di vantaggi e svantaggi.

2.1 Determinismo

Si parla di determinismo quando un sistema si sviluppa nel tempo strettamente secondodeterminate regole. In riferimento alla tecnologia di comunicazione, ciò significa lapossibilità di determinare con precisione il momento in cui un valore viene trasmesso daun nodo a un altro.

Le collisioni di telegrammi sono il problema principale per l’Ethernet in tempo reale. Ciòavviene quando 2 nodi vogliono trasmettere simultaneamente. I controller Ethernetrilevano in questo caso una collisione ed interrompono la trasmissione. Quindi, secondouna procedura con una componente casuale (CSMA/CD), cercano di ripetere l’invio.Nell’Ethernet standard non è pertanto possibile alcun determinismo.

2.2 Jitter

Tra l’attivazione di un segnale e il momento nel quale il destinatario reagisce sussiste uncerto ritardo. Se tale intervallo di ritardo non è costante si parla di "jitter". Nei sistemi di"Motion Control" i valori attesi sono comunque inferiori a 1 �s.

2.3 Tempo di ciclo

Per ciclo (di comunicazione) si intende il tempo necessario per l’invio di un nuovo valore diriferimento a tutti i nodi che partecipano alla comunicazione e per la lettura del valoreistantaneo attuale da tutti i nodi. Il tempo di ciclo più breve possibile dipende quindisempre dal numero di nodi nel bus.

Nozioni di baseSwitched Ethernet

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2.4 Switched Ethernet

Nell’Ethernet originaria, tutti i nodi erano collegati a un cavo. In questo caso, se più nodiinviavano contemporaneamente dei dati si verificavano delle collisioni. Con l’evoluzionedel protocollo Ethernet furono quindi inseriti gli hub (accoppiatori a stella). Tra nodi e hubè presente un collegamento punto−punto. L’hub connette tutti i nodi tra loro senza ritardi,ed è quindi molto veloce, tuttavia possono comunque verificarsi delle collisioni. Questoproblema viene risolto con una nuova generazione di accoppiatori a stella (switch), cheinoltrano i messaggi solo in modo mirato ai dispositivi e se necessario li trattengono.

ƒ Vantaggio: non sono più possibili collisioni.

ƒ Svantaggio: gli switch ritardano l’invio dei messaggi. Il tempo di ritardo dipende dalcarico sulla rete. Non è quindi possibile parlare in questo caso di "real time".

2.5 Procedura con assegnazione di time slot

Al protocollo Ethernet non deterministico viene sovraordinata una procedura conassegnazione di un time slot, ovvero di un intervallo di tempo specifico. Nell’ambitodell’intero ciclo, ciascun nodo "comunica" solo quando è attivo il proprio time slot. In talmodo si evitano le collisioni che comprometterebbero il determinismo.

ƒ Vantaggio: possibilità di completo controllo del determinismo.

ƒ Svantaggio: tutti i nodi che si trovano sullo stesso segmento della rete devonoconoscere la procedura sovraordinata con assegnazione di time slot. Basta un nodonon conforme per disturbare il determinismo.

2.6 Sincronizzazione di clock

Ciascun dispositivo sul bus possiede un orologio interno (clock). Tramite uno specialeprotocollo di sincronizzazione (IEEE1588) viene assicurato che tutti gli orologi funzioninoin modo sincronizzato e che pertanto determinate azioni vengano eseguite da tutti i nodinello stesso momento.

ƒ Vantaggio: il determinismo è possibile tramite Ethernet standard.

ƒ Svantaggio: è richiesto un hardware particolare (con orologio interno) anche per gliswitch. Inoltre è possibile controllare solo gli eventi ciclici in tempo reale.

Nozioni di basePorte

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2.7 Porte

Un nodo Ethernet può offrire diversi programmi (servizi server) contemporaneamente inrete. Ciascun servizio è "in ascolto" su una porta. I client, cioè gli altri dispositivi Ethernet,possono così richiedere un determinato servizio. La maggior parte dei servizi può esserefornita a più client contemporaneamente.

Esempi

Servizio server Porta Multi−client

Web (HTTP) 80 Sì

E−mail (SMTP) 25 Sì

DNS 53 Sì

Abilitazione file (SMB) 445 Sì

Per motivi di sicurezza, alcuni router, firewall e altri componenti dell’infrastruttura nonconsentono l’accesso a tutte le porte possibili. È quindi necessario sapere quali porte sononecessarie per la comunicazione con un nodo Ethernet.

2.8 Hub o switch

Il cablaggio dei sistemi Ethernet è oggi prevalentemente a stella. Normalmente, due nodinon sono collegati direttamente tra loro, ma tramite un distributore a stella. Esistono duetipi di distributori a stella: hub e switch. Mentre in passato gli hub erano lo standard perl’ambiente di ufficio, oggi si stanno diffondendo anche in questo ambito gli switch,offrendo il vantaggio di poter collegare in serie un numero praticamente illimitato diswitch e di costruire così strutture di rete ad albero. Uno switch riceve i telegrammi e decidesu quale porta di commutazione dovrà inoltrarli. La comunicazione tra i nodi Ethernetavviene quindi sempre in assenza di collisioni. Se più nodi interagiscono con lo stessoswitch contemporaneamente, quest’ultimo memorizza temporaneamente i messaggi e liinvia quindi successivamente. Ciò comporta dei tempi di ritardo, che rendono critico l’usodegli switch in applicazioni in tempo reale.

Gli hub possono essere collegati in serie l’uno all’altro solo in misura limitata, poichéquando sono collegati in serie più di due hub, il rilevamento collisioni CSMA/CD nonfunziona più. Un chiaro vantaggio offerto dagli hub è però il tempo di ritardoestremamente ridotto rispetto agli switch, dato che i telegrammi vengono ripetuti edinviati su ciascuna porta, senza essere interpretati. Per questo motivo, è preferibileutilizzare hub in reti per applicazioni in tempo reale. Con l’ausilio di un protocolloaggiuntivo, quale Ethernet POWERLINK, per prevenire le collisioni, gli hub rappresentanol’alternativa migliore per il livello di campo.

Nozioni di baseIndirizzamento

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2.9 Indirizzamento

Ogni nodo Ethernet ha un indirizzo MAC. L’indirizzo MAC è un indirizzo fisico assegnato aun dispositivo Ethernet al momento della produzione e non può essere modificato. È unindirizzo univoco a livello mondiale e non possono esservi due dispositivi con lo stessoindirizzo MAC. Spesso tale indirizzo è stampato sulla parte esterna del dispositivo. Questoindirizzo univoco consente l’interazione con il dispositivo, indipendentemente dagli altridispositivi Ethernet collegati al bus. Non può verificarsi alcun conflitto di indirizzo.L’indirizzo MAC viene rappresentato tramite 6 byte. In tal modo esistono 248, cioè circa 280miliardi di indirizzi MAC diversi, che permettono di identificare in modo univoco ciascundispositivo Ethernet. La rappresentazione avviene generalmente nel formatoesadecimale, dove i singoli byte sono divisi da punti. I primi tre byte identificano ilcostruttore, mentre i restanti byte servono per l’identificazione del dispositivo. Esempio:00.0A.86.00.00.0A (il codice costruttore per Lenze è 00.0A.86).

Poiché ogni sostituzione di un dispositivo comporta la modifica dell’indirizzo MAC, vieneeseguito anche l’indirizzamento logico tramite l’indirizzo IP. Ciascun nodo della rete ricevequindi un indirizzo IP, che deve essere univoco nell’ambito della rete. Si tratta di unindirizzo "logico", che può essere modificato tramite software. Questo indirizzo ècomposto da 32 bit e per agevolarne la lettura viene utilizzato sempre il formato con 4numeri decimali separati da un punto ("dot notation", ovvero notazione con punti).L’indirizzo IP è composto dal Net ID e dall’Host ID. Il Net ID specifica il segmento di rete,mentre l’Host ID identifica il nodo. La suddivisione dei 32 bit tra Net ID e Host ID dipendedalla classe dell’indirizzo IP. Il tipo di classe è indicato nel primo byte.

Solo i nodi che si trovano nello stesso segmento di rete (sottorete) possono comunicaredirettamente tra loro. Se i nodi si trovano su segmenti diversi è necessario disporre di unrouter per lo smistamento dei telegrammi ai segmenti di destinazione. La grandezzamassima di un segmento di rete dipende dalla lunghezza del Net ID. Con l’ausilio dellamaschera di rete sono poi possibili ulteriori suddivisioni.

Nozioni di baseIndirizzamentoEsempio

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2.9.1 Esempio

L’indirizzo IP è 192.168.10.1

La maschera di rete è 255.255.255.0

Indirizzo IP 192 168 10 1

11000000 10101000 00001010 00000001

Maschera di rete 255 255 255 0

11111111 11111111 11111111 00000000

Descrizione dell’esempio:

Tutti i nodi che vogliono comunicare con il dispositivo di esempio devono avere anch’essiun indirizzo che inizia per 192.168.10. Solo l’ultimo byte dell’indirizzo IP deve esserediverso. In caso contrario, per la comunicazione è necessario un router. L’indirizzo IP delrouter viene indicato come gateway standard.

I router (gateway) trasmettono pacchetti tra reti diverse. Un sistema conosce solo lapropria rete ed invia quindi ad un router tutti i pacchetti destinati a sistemi in altre reti. Unsistema conosce inoltre solo determinati percorsi: "per la rete X, inviare al router Y". Ipacchetti per tutte le altre reti sconosciute vengono inviate al gateway standard (gatewaydi default). Il routing, o instradamento, deve funzionare anche in senso inverso, altrimentinon si riceve alcuna risposta.

2.9.2 Classi di reti

ƒ Classe A

– Indirizzi da 1.x.x.x a 126.x.x.x

– Maschera di rete 255.0.0.0

– Consente 126 reti, ciascuna con massimo 16 milioni di host.

ƒ Classe B

– Indirizzi da 128.0.x.x a 191.255.x.x


– Consente 16000 reti, ciascun con massimo 16000 host.

ƒ Classe

– Indirizzi da 192.0.0.x a 223.255.255.x


– Consente 2 milioni di reti, ciascuna con massimo 254 host.

ƒ Subnetting: maschere di rete più lunghe di quanto consentito dalla classe.

Nozioni di baseIndirizzamento

Indirizzi IP riservati

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2.9.3 Indirizzi IP riservati

ƒ 127.0.0.1, "local host"

Con questo indirizzo un nodo può comunicare solo con se stesso.

ƒ xxx.xxx.xxx.0, identificatore per il segmento di rete

Non può essere utilizzato come indirizzo di nodo.

ƒ xxx.xxx.xxx.255, "broadcast"

Comunicazione con tutti i nodi di una rete.

Determinati intervalli di indirizzi sono riservati per reti private e non possono essereutilizzati in Internet:

ƒ 10.0.0.0 ... 10.255.255.255

ƒ 172.16.0.0 ... 172.31.255.255

ƒ 192.168.0.0 ... 192.168.255.255

2.9.4 Assegnazione dell’indirizzo IP

In linea di principio vale quanto segue: se un dispositivo Ethernet deve essere collegato auna rete esistente, è necessario contattare l’amministratore di rete, che provvederà adassegnare un indirizzo IP. Inoltre, occorre decidere se il dispositivo può essere collegatodirettamente alla rete, oppure se sono necessarie misure di protezione, quali firewall.

Non è possibile utilizzare qualsiasi indirizzo.

L’indirizzo infatti deve essere idoneo per la rete esistente e non può essere doppio.

Per l’impostazione dell’indirizzo IP esistono diversi meccanismi. In campo industriale, nellamaggior parte dei casi gli indirizzi IP vengono assegnati in modo fisso. Nell’ambiente diufficio, si utilizzano spesso server DHCP, che assegnano dinamicamente un indirizzo aciascun dispositivo all’avvio. Questa procedura è tuttavia poco utilizzata in ambitoindustriale.

Quando un PC vuole comunicare tramite il protocollo IP con un dispositivo di campo, ènecessario prima procedere con l’impostazione degli indirizzi IP. Prima occorre verificarel’indirizzo IP del dispositivo di campo o impostare l’indirizzo desiderato. Quindi si dovràassicurare che il PC possieda un indirizzo IP nella stessa sottorete o che sia presente unrouter nella rete, per l’inoltro dei telegrammi da un segmento della rete a un altro. In alcunicasi occorre eseguire specifiche impostazioni nel pannello di controllo del PC. A tal finemettersi in contatto con l’amministratore di sistema.

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"Ethernet/IP� (CIP Sync)Principio

3


3 Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"

3.1 Ethernet/IP� (CIP Sync)

Ethernet/IP� è stato elaborato dal gruppo di utenti "Open DeviceNet Vendor Association"(ODVA), di cui Rockwell è il principale esponente. L’IP in questo caso rappresental’estensione del protocollo industriale CIP� (Common Industrial Protocol�), che fornisce illayer applicativo. Il CIP viene utilizzato anche come layer applicativo per DeviceNet� eControlNet� ed è definito congiuntamente da ODVA e "ControlNet International". Questoprotocollo è stato ampliato con funzioni di sincronizzazione per applicazioni in temporeale e viene quindi chiamato "CIP Sync".

Principali caratteristiche dichiarate:

ƒ Vengono utilizzati solo standard (IEEE 802.3, IEEE 1588)

ƒ Sono richiesti switch speciali (con "boundary clock" per la sincronizzazione degliorologi)

ƒ Possibilità di combinazione con componenti Ethernet standard

ƒ Tecnologia di sicurezza tramite CIP

ƒ "Safety" possibile.

3.1.1 Principio

Il principio della funzionalità in tempo reale (real time) si basa sul fatto che ciascun nodoEthernet possiede un orologio interno ad alta precisione. Tutti gli orologi vengonocostantemente risincronizzati tramite un protocollo predefinito (IEEE 1588), in modo daassicurare il funzionamento sincrono di tutti gli orologi del sistema. I pacchetti di dati,inoltre, devono essere prioritizzati. È comunque possibile controllare soltanto eventi cicliciin real time.

� Per ulteriori informazioni su Ethernet/IP (CIP Sync), vedere ...

ƒ in Internet all’indirizzo www.odva.org .

3.1.2 Architettura di rete / Topologia

Ethernet/IP consente le topologie tipiche dell’ambiente Ethernet, quali le topologie a stellae ad albero. Come componenti dell’infrastruttura è necessario installare degli switchspeciali con "boundary clock". È possibile utilizzare gli strumenti standard per l’analisi dellarete.

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"EtherCAT®

Principio

3


3.2 EtherCAT®

EtherCAT® è un marchio registrato, la tecnologia è brevettata ed è concessa in licenza daBeckhoff Automation GmbH, Germania.

È stato costituito un gruppo di utenti, chiamato "EtherCAT Technology Group" (ETG), alquale è possibile aderire gratuitamente, alla sola condizione di mettere a disposizione ilproprio logo aziendale. Questo gruppo di utenti ed i relativi "membri" non detengono,tuttavia, alcun diritto legale su questo sistema.

Principali caratteristiche dichiarate da Beckhoff:

ƒ Completa compatibilità con Ethernet

ƒ Comunicazione completamente integrata nell’hardware; massime prestazioni

ƒ Protocollo con un alto livello di efficienza

ƒ Utilizzo di schede Ethernet standard

ƒ Topologia liberamente selezionabile

ƒ Possibilità di multiplexing di dati in tempo reale con TCP/IP standard

ƒ Ethernet come backplane.

Il punto di forza di questo sistema è il suo utilizzo come sistema backplane per i morsetti.Viene offerto in due diverse varianti fisiche: E−bus e Ethernet.

Il sistema E−bus, basato sui segnali differenziali di tensione (LVDS), è idoneo solo per brevitratti (<10 m, ad es. all’interno di una morsettiera) e non assicura alcun isolamentogalvanico. Il vantaggio rispetto alla variante Ethernet è la maggiore rapidità in termini ditempo di transito. Per l’utilizzo effettivo di Ethernet (connettore standard, collegamentoad altri dispositivi Ethernet, ecc.) è necessario utilizzare la variante fisica Ethernet.

3.2.1 Principio

I dati vengono rilevati e/o inseriti al runtime del telegramma Ethernet ("principioInterbus").

� Per ulteriori informazioni su EtherCAT, vedere ...

ƒ in Internet all’indirizzo www.ethercat.org .

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"EtherCAT®Architettura di rete / Topologia

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La topologia di un sistema EtherCAT è in linea di principio liberamente selezionabile.Generalmente viene utilizzata una struttura lineare, anche se di fatto si realizzaimplicitamente sempre un anello. Le diramazioni sono possibili tramite un accoppiatoreI/O. La topologia a stella può essere realizzata solo se il PLC è già dotato di un numerosufficiente di collegamenti Ethernet (ovvero, schede di rete in un PC). Non è possibileutilizzare switch standard per creare una struttura a stella. Le strutture ad albero sonopossibili mediante l’uso di morsetti I/O con linea derivata, anche se sussistono dellelimitazioni nella realizzazione di tali strutture ad albero. Gli switch sono consentiti solo trail master e il primo nodo EtherCAT. I componenti Ethernet standard possono quindi esserecollegati a questo switch, oppure a speciali morsetti sulla porta di commutazione. Lacomunicazione tra i componenti standard e i dispositivi EtherCAT non è mai diretta, maavviene sempre tramite il cosiddetto "virtual switch" nel PLC, quindi attraverso unpercorso più lungo che penalizza il tempo di esecuzione e rappresenta un collo di bottiglia.

Per l’analisi della rete sono richiesti dispositivi di analisi speciali, poiché il flusso di datidipende dal punto di misurazione.

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"PROFINET®

Principio

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3.3 PROFINET®

PROFINET® è definito dall’organizzazione degli utenti di PROFIBUS & PROFINETInternational (PI). PROFINET® rappresenta la logica successione a PROFIBUS®.

Viene operata una distinzione tra il modello di componenti PROFINET (CBA, V1), il cuiprincipale obiettivo è l’interconnessione dei componenti di automazione, e il PROFINETI/O, che corrisponde all’evoluzione del PROFIBUS. La comunicazione nel modello dicomponenti è basata sul protocollo TCP/IP standard, non è real time e pertanto nonpertinente per quest’analisi. Nel caso di PROFINET I/O è necessario fare un’ulterioredifferenziazione. Esiste infatti una variante con capacità real time, tuttavia con datiprestazionali non adatti per applicazioni di Motion Control. Viene definita SRT (Soft RealTime, V2) e in linea di principio può essere implementata su qualsiasi controller chesupporti Ethernet. Le prestazioni raggiunte corrispondono approssimativamente a quelledello standard PROFIBUS. Esiste poi la variante IRT (Isochronous Real Time, V3), che èl’unica indicata per le applicazioni di "Motion Control". Per realizzare questa variante ènecessario utilizzare speciali chip (ASIC) di concezione Siemens.

Principali caratteristiche dichiarate:

ƒ Utilizzo contemporaneo della comunicazione IT real time e basata su TCP su ununico cavo

ƒ Protocollo unico tra i componenti e tra sistema di controllo e dispositivo di campo

ƒ Comunicazione scalare.

3.3.1 Principio

ƒ Soft Real Time (SRT):

– Switched Ethernet per la prevenzione delle collisioni

– Ottimizzazione dello stack di protocollo TCP/IP

– Lunghezza dei telegrammi ridotta e tempi di trasmissione abbreviati

– Prioritizzazione dei pacchetti di dati secondo IEEE 802.1Q (Prio 6)

ƒ Isochronous Real Time (IRT):

– Procedura con assegnazione di time slot: il ciclo di comunicazione è diviso in unaparte deterministica (real time) e in una parte aperta (Ethernet standard)

– Realizzazione su base hardware (speciali ASIC)

– Sincronizzazione del ciclo e assegnazione dei time slot realizzata via hardware

� Per ulteriori informazioni su PROFINET, vedere ...

ƒ in Internet all’indirizzo www.profibus.com .

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"PROFINET®Architettura di rete / Topologia

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La topologia di una rete PROFINET è in linea di principio liberamente selezionabile. Comeaccoppiatori a stella è possibile utilizzare degli switch. In PROFINET SRT (V2) questi switchdevono supportare la prioritizzazione dei pacchetti di dati secondo IEEE802.1Q. InPROFINET IRT (V3) è possibile utilizzare solo switch speciali, che contengono l’ASICPROFINET di Siemens. In questo caso a tutt’oggi sono utilizzabili solo switch a 4 porte.

Con l’ausilio di switch integrati nei dispositivi di campo è possibile realizzare strutturelineari.

Per l’analisi della rete con PROFINET IRT (V3) sono richiesti dispositivi di analisi speciali,poiché il flusso di dati dipende dal punto di misurazione.

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"Ethernet POWERLINK

Principio

3


3.4 Ethernet POWERLINK

Ethernet POWERLINK è un sistema Ethernet Real−Time. Originariamente concepito dalladitta B&R (versione 1.0), questo sistema è stato quindi reso pubblico e ulteriormentesviluppato attraverso l’Ethernet POWERLINK Standardisation Group (EPSG). Le attivitàsvolte da questo gruppo hanno portato alla costituzione di uno standard industrialericonosciuto (versione 2.0), che coniuga in modo ottimale le caratteristiche tecnichedell’Ethernet con le esigenze di operatività in tempo reale e di integrazione.

3.4.1 Principio

Ethernet POWERLINK evita le collisioni grazie a un processo software sovraordinato, lo"Slot Communication Network Management". Si tratta di una procedura conassegnazione di time slot in base alla quale il master (Managing Node) attribuisceesplicitamente ad ogni slave (Controlled Node) il diritto di trasmettere attivamente. Laricezione è sempre possibile ad opera di tutti i nodi.

Confronto con CAN: nel sistema CAN è presente anche un master che stabilisce l’inizio diun nuovo ciclo. L’assegnazione dei nodi viene tuttavia regolata in modo automaticotramite funzioni CAN.

In ogni ciclo è possibile trasmettere anche un telegramma non real−time (a). Si possono cosìspedire diversi telegrammi Ethernet (ad es. telegrammi TCP/IP generici). Anche per questitelegrammi il master (Managing Node) conferisce esplicitamente ad uno slave (ControlledNode) il diritto di trasmissione.

1 12 23 34 45 5n a

i i+1

t

E94YCEP014

i Ciclo 1 ... n Trasferimento dati ciclico (HRT) per nodo 1 ... na Trasferimento dati aciclico (ad es. TCP/IP)

� Per ulteriori informazioni su Ethernet POWERLINK, vedere ...

ƒ in Internet all’indirizzo www.ethernet−powerlink.org .

ƒ nella brochure "Real Time Industrial Ethernet is Reality".

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"Ethernet POWERLINKArchitettura di rete / Topologia

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I vantaggi di una comunicazione universale, resa possibile mediante l’uso di cavi estandard unificati, sono chiari. Ma questo sistema consente anche di abbattere laseparazione finora presente tra il livello di ufficio e il livello di campo. Tuttavia, anche nellereti Ethernet, non è opportuno eliminare totalmente qualsiasi strutturazione, per iseguenti motivi:

ƒ Sicurezza e protezione degli accessi

ƒ Creazione di segmenti di rete

ƒ Necessità di segmentazione determinata dai sistemi.

La segmentazione di una rete è quindi raccomandabile in ogni caso. Non è necessario cheogni nodo comunichi costantemente con qualsiasi altro nodo. Raggruppando in unsegmento di rete i nodi che devono essere costantemente in comunicazione tra loro, èpossibile separare gli altri tratti della rete da questo carico sul bus.

In una rete aziendale estesa, generalmente viene operata una separazione tra il livello diufficio e il livello di campo, anche se si utilizza lo stesso sistema bus. Esistono infatti deicollegamenti possibili tra queste reti (router), tuttavia essi consentono l’accesso solo inseguito alla verifica del rispetto di specifiche regole. I router provvedono quindi allaprotezione degli accessi, poiché non tutti i PC del livello ufficio devono poter accedere apiacimento ad un dispositivo di campo. Mediante questa separazione, inoltre, si assicurache i disturbi in un segmento della rete non determinino disturbi in altri segmenti.

In particolare, nel collegamento tra Real−Time Ethernet e Ethernet standard, il routersvolge anche altre funzioni. I nodi Ethernet POWERLINK non possono essere collegati connodi Ethernet standard ad un segmento di rete. Poiché i nodi standard non riconoscono ilprotocollo Real−Time, si verificherebbero delle collisioni che potrebbero compromettere ilfunzionamento in tempo reale del bus.

Varianti della tecnologia "Industrial Ethernet"SERCOS III

Principio

3


3.5 SERCOS III

L’obiettivo di SERCOS III è coniugare i meccanismi comprovati di SERCOS con i vantaggi dellivello fisico Ethernet. I meccanismi, i profili e le strutture dei telegrammi esistenti sono cosìstati trasferiti invariati al livello fisico Ethernet. Questo sistema dovrebbe inoltreconsentire il raggiungimento dei seguenti obiettivi:

ƒ Riduzione dei costi per la connessione hardware

ƒ Possibilità di integrazione di protocolli TCP/IP

ƒ Comunicazione trasversale

ƒ Trasmissione di dati rilevanti per la sicurezza

ƒ Tolleranza agli errori rispetto a rotture dei cavi

3.5.1 Principio

SERCOS III prevede un canale IP tramite il quale è possibile trasmettere telegrammiEthernet standard. Tale canale non sostituisce il Service Channel proprio del sistemaSERCOS, che viene ancora utilizzato per la trasmissione dei dati ciclici. Il canale IP puòessere disattivato e nella maggior parte dei casi non viene preso in considerazione inesempi di calcolo tipici.

Analogamente ad Interbus, in ogni ciclo di comunicazione viene trasmesso un frame disomma, dal quale ciascuno slave ricava o inserisce i propri dati. Per questo motivo, per larealizzazione di questo sistema, sono richiesti componenti hardware speciali (ASIC oFPGA).

� Per ulteriori informazioni su SERCOS III, vedere ...

ƒ in Internet all’indirizzo www.sercos.com .


Il SERCOS originario è sempre costituito da un anello in fibra ottica. La struttura ad anelloè stata trasferita anche al livello fisico Ethernet. Poiché ogni collegamento Ethernet offreun canale di andata e uno di ritorno, si realizza un doppio anello e viene conseguentementeofferta la possibilità di creare sistemi ridondanti. In caso di guasto di uno slave l’anellologico è in effetti interrotto, ma la comunicazione è comunque ancora possibile.

La struttura lineare non permette alcuna ridondanza, ma consente di eliminare uncollegamento, aspetto che può portare a un significativo risparmio in caso di sistemi estesi.

Le strutture a stella non sono possibili con SERCOS. Non è infatti possibile l’impiego diaccoppiatori a stella, né di hub o switch.

Le reti SERCOS III sono sempre reti separate. La connessione a sistemi di livello superiorepuò avvenire solo tramite il "Motion Controller" o il PLC. Questo passaggio non è ancorastato definito.

Per l’analisi della rete sono richiesti dispositivi di analisi speciali, poiché il flusso di datidipende dal punto di misurazione.

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