Bus di campo e reti per il motion control

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Hand holding networkIl controllo del movimento è un elemento determinante in un impianto produttivo. Bus di campo e reti hanno un ruolo importante.

Il controllo del movimento è un aspetto fondamentale in un impianto produttivo. I sistemi di azionamento consentono di introdurre l’energia necessaria a compiere le attività di assemblaggio e di movimentazione. In impianti complessi, come quelli di montaggio o sistemi che usano macchine automatiche e robot, per ottenere risultati ottimali sono necessari più sistemi di azionamenti che devono essere coordinati tra loro. Nelle versioni più semplici di azionamenti, il flusso di energia è direttamente regolato dalla sorgente verso il motore. Nelle soluzioni digitali la configurazione è più complessa e consente il controllo della corrente, della velocità del motore e della sua posizione. Possibile è la retroazione da sensori ausiliari. Una parte delle funzioni del sistema di controllo può essere integrata insieme all’alimentatore.  Le attuali configurazioni degli azionamenti implicano segnali in ingresso all’azionamento con più contenuto informativo, dal semplice segnale per la regolazione dello stadio di potenza al profilo di posizione che il motore deve seguire. La legge di controllo del moto può essere distribuita in vario modo tra il master e il singolo azionamento. Attualmente è possibile distinguere tra quattro principali tipi master/slave per la distribuzione delle attività di generazione del profilo di moto e applicazione dell’algoritmo di controllo di moto: profilo di moto e algoritmo di controllo elaborato dal master; profilo di moto elaborato dal master e chiusura degli anelli da parte degli azionamenti; profilo di moto e algoritmo di controllo elaborato dall’azionamento; profilo di moto generato off-line e preimpostato sull’azionamento con chiusura degli anelli da parte dell’azionamento.

Un sistema digitale di comunicazione

Per far fronte al maggiore contenuto informativo richiesto in ingresso dall’azionamento è necessario disporre di un sistema digitale di comunicazione tra master e azionamento. Inoltre, è possibile spostare alcune funzionalità dal master all’azionamento con una riduzione dei costi hardware, di cablaggio e di prestazione del sistema di controllo nel suo complesso. L’evoluzione nei macro-settori industriali pilotaggio di movimenti (sistemi di azionamento), lettura di segnali (sensori), interfacce operatore (HMI), interfacce blocchi valvola pneumatica/idraulica ha portato allo sviluppo dei bus di campo industriali con l’obiettivo di poter contare sulla standardizzazione dei protocolli di comunicazione, sull’intercambiabilità dei componenti e sulla razionalizzazione del cablaggio. Il bus di campo è un sistema di comunicazione digitale di tipo seriale tra dispositivi di campo (sensori e attuatori) oppure tra dispositivi di controllo automatico (PLC e DCS). La configurazione che meglio si appresta al controllo del moto usando bus di campo è quello a singolo master. L’attività degli slave è coordinata dal master in funzione delle movimentazioni richieste per la realizzazione del processo produttivo e di assemblaggi. Gli slave sono costituiti dagli azionamenti che ricevono in ingresso le istruzioni fornite dal master, che dovrà avere una opportuna configurazione hardware/software per supportare la flessibilità offerta dai bus di campo.

Tecnologie per diverse applicazioni

Tra i bus più conosciuti a livello europeo c’è Profibus, che si caratterizza, però, anche per l’elevato costo e la complessità nella realizzazione del nodo Master. Can/CanOpen si distingue invece per il basso costo del supporto fisico. Supportato da tutti i costruttori di azionamento, il supporto fisico del bus permette l’applicazione di CanOpen e DeviceNet. Rispetto a Profibus, la realizzazione del nodo master è meno complessa. Infine, da segnalare, è l’attuale tendenza alla transizione verso un completo controllo Ethernet-based per applicazioni di automazione e motion che sta superando il precedente focus sui bus di campo, con Ethernet che vedeva come principali applicazioni raccolta dati e monitoraggio. Questa tendenza determinerà l’implementazione di architetture plant-wide, con Ethernet a livello campo, e da qui fino a livelli di gestione con un collegamento più stretto con la parte business di un’azienda. Oggi esistono numerose proposte Industrial Ethernet sul mercato ma, solo un numero ristretto di protocolli domina il campo: Ethernet/IP, Profinet, Modbus TCP/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT. Quasi i tre quarti delle applicazioni aderisce allo standard Ethernet IEEE 802.3, usa un mix tra time slot e procedure di polling per la realizzazione di data transfer isocroni; come elemento di coordinamento è previsto un PLC o un PC industriale, che gestisce i tempi di ciclo per sincronizzare i dispositivi e controlla le comunicazioni dati cicliche, mentre tutti gli altri dispositivi operano come nodi controllati.

EtherNet/IP e Profinet

Il protocollo EtherNet/IP nasce nel 2000 come standard industriale aperto ed è molto usato in America. Usa hardware Ethernet standard e TCP e UDP come protocolli di trasporto a livello 4 OSI e prevede meccanismi di comunicazione tra cui rientrano polling ciclico, trigger a tempo o evento, multicast o point-to-point; la funzionalità producer/consumer è supportata dal protocollo CIP. In questo modello tutti i nodi possono trasmettere dati, con la contesa per il possesso del bus decisa dalla priorità del messaggio, secondo una variante del protocollo originale CSMA/CD Ethernet. Sono previsti messaggi I/O impliciti e messaggi espliciti per configurazione e acquisizione dati, questi ultimi integrati in frame TCP mentre i dati realtime sono trasferiti tramite UDP. Le applicazioni sono quelle del soft realtime con tempi di ciclo di circa 10 msec. Il protocollo EtherNet/IP, in quanto tecnologia software-based, può essere usato anche con hardware gigabit. La tecnologia Profinet prevede differenti classi di performance: Profinet I/O Real Time (RT), l’evoluzione Ethernet di Profibus-DP, per soft realtime o per applicazioni non real time, e Profinet IRT (Isochronous Real-Time) per applicazioni di motion control e high performance nell’automazione di fabbrica. Con IRT il tempo di ciclo arriva fino a 250 µs con un jitter inferiore a 1 µs. Il ciclo di comunicazione è ripartito in una parte deterministica e in una aperta. Nell’intervallo deterministico sono trasmessi i telegrammi IRT ciclici, mentre la comunicazione TCP/IP avviene nell’intervallo aperto. Le due trasmissioni dati coesistono in parallelo, senza disturbarsi a vicenda. Da ricordare sono anche il protocollo di sicurezza PROFIsafe e la disponibilità di prodotti che integrano questo protocollo, e la feature chiamata Dynamic Frame Packaging (DFP), concepita per un’ottimizzazione dei tempi di ciclo.

Powerlink, EtherCAT e Sercos III

Il sistema di comunicazione Powerlink, basato su software, ha performance hard realtime, è patent-free e indipendente dal vendor. È stato sviluppato nel 2001 e dal 2003 ha come riferimento l’Ethernet Powerlink Standardization Group. Powerlink, che integra l’intera gamma di meccanismi CANopen e aderisce allo standard Ethernet IEEE 802.3 usa un insieme di time slot e procedure di polling per la realizzazione di data transfer isocroni; come elemento di coordinamento (managing node, MN) è previsto un PLC o un PC industriale che gestisce i tempi di ciclo per sincronizzare tutti i dispositivi e controlla le comunicazioni dati cicliche, mentre tutti gli altri dispositivi agiscono come nodi controllati (controlled node, CN). Nell’ambito di un ciclo di clock, MN invia una Poll Request in sequenza fissa ai vari CN che a loro volta rispondono con una Poll Response che anche gli altri nodi possono ascoltare. Powerlink è ritenuto adatto per molte applicazioni, dall’I/O al Motion Control, dalla robotica alla comunicazione tra PLC. Il protocollo compatto Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT Technology) è una soluzione che si basa sul metodo di “summation frame”, che ricorda un analogo meccanismo implementato nel bus di campo Interbus, in cui il master, in genere un pc con interfaccia standard Ethernet, trasmette un frame Ethernet contenente i dati per tutti i nodi della rete, attraversandoli in sequenza; arrivato all’ultimo nodo torna indietro. I nodi elaborano le informazioni presenti nel frame al suo transitare in una direzione, leggendo i dati a ciascuno indirizzati “on the fly” e inserendo le risposte al ritorno.A differenza di altri protocolli quali Powerlink o Profinet, EtherCAT è molto compatto, dal momento che si estende solo sui livelli da 1 a 3 (fisico, data link e network) del modello di riferimento OSI, per cui, per una funzionalità a livello Application occorre prevedere un livello di protocollo extra, come CANopen over EtherCAT (CoE) o Ethernet over EtherCAT (EoE). Sercos III è invece uno standard di comunicazione realtime utilizzato prevalentemente in applicazioni motion control, che specifica la struttura del protocollo, un vasto range di definizioni di profili e l’architettura hardware delle connessioni fisiche. L’uso di hardware dedicato sia su lato master sia su lato slave sgrava la CPU host dal carico di tutti i compiti di comunicazione, garantendo elaborazione dati veloce e sincronizzazione basata su hadware.

 

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