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SETTEMBRE 2017
FIELDBUS & NETWORKS
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Fieldbus & Networks
zione dei pacchetti. Il protocollo IP si occupa del corretto instradamento
dei pacchetti tra i vari possibili percorsi di rete. TCP/IP viene impiegato
per veicolare i messaggi espliciti, ossia quelli che realizzano transazioni
di tipo client-server tra i nodi. Il protocollo UDP, senza connessione e
adatto al multicasting, è invece impiegato per i dati impliciti, nella fat-
tispecie lo scambio di informazioni in tempo reale tra i dispositivi del
piano di fabbrica.
Devicenet: CIP su CAN
Con Devicenet la suite CIP attinge ai vantaggi associati all’impiego della
tecnologia CAN (Control Area Network) e a un’economia di scala forte
di miliardi di nodi installati tra applicazioni automotive e di automa-
zione industriale. A differenza di Ethernet/IP l’infrastruttura di rete di
Devicenet (e degli altri protocolli CIP) è di tipo passivo; questo da un
lato comporta una necessaria limitazione sul numero di nodi, dall’altro
ha il vantaggio di rendere la rete tollerante nei confronti della perdita di
connessione con i singoli nodi. Devicenet adotta una tipologia a bus con
derivazioni del tipo ‘daisy chain’ o ‘trunkline’ su cavo tondo o piattina
multifilare. I connettori utilizzati possono essere di vario tipo: morsetti
a vite, connettori cilindrici o piattina con derivazioni. In ogni caso, come
è tipico della tecnologia CAN, si tratta di soluzioni robuste, in grado di
tollerare elevati livelli di rumore e sollecitazione termica e meccanica.
Sul cavo, insieme ai dati, viaggia anche l’alimentazione continua per i
nodi fino a un massimo di 24 V e 8 A.
I nodi Devicenet, fino a un massimo di 64, supportano l’‘hot swap’ e pos-
sono essere rimossi a rete attiva. La velocità di trasmissione può essere
di 125, 250 e 500 kbps. Per lo strato collegamento dati Devicenet utilizza
il protocollo CAN originale, che è di suo particolarmente efficiente nel
trasferimento dei messaggi e nel rispetto delle priorità. CANè ottimizzato
per trasmettere piccole quantità di informazioni alla volta, una modalità
che ben si adatta allo streaming rapido dei parametri monitorati in una
rete di sensori e attuatori. L’accesso al canale è di tipo Csma-CR+AMP
(Carrier Sense Multiple Access and Collision Resolution with Arbitration
on Message Priority): un meccanismo di arbitraggio non distruttivo per-
mette di risolvere le collisioni senza ritardare il messaggio a priorità più
alta. L’elevata resilienza nei confronti agli errori di CAN si trasferisce per
intero in Devicenet attraverso il controllo CRC, anche se dei diversi frame
delle specifiche originarie viene utilizzato in pratica solo il frame dati. In
questo, il campo ID viene impiegato per codificare tanto l’identificatore
del messaggio, quanto quello dei nodi, necessario a stabilire la connes-
sione tra i dispositivi che possono agire da client, server o entrambi. Nel
contesto dei messaggi CIP, client e server possono agire tanto da produt-
tore quanto da consumatore. La gestione degli identificativi in Devicenet
permette inoltre di scoprire automaticamente eventuali indirizzi duplicati.
Infine, Devicenet offre unamodalità di comunicazione di tipomaster-slave
che prevede messaggi ciclici, a interrogazione e su cambio di stato.
Controlnet: CIP su Ctdma
Controlnet è il bus di campo della famiglia CIP orientato allo scambio
di dati in tempo reale in maniera deterministica e ripetibile. Si appog-
gia a un meccanismo di comunicazione di tipo Ctdma (Concurrent Time
Division Multiple Access), prevede collegamenti ridondanti e offre la
possibilità di incorporare dispositivi intrinsecamente sicuri per l’impiego
in atmosfere potenzialmente esplosive, in accordo alle specifiche EU,
Cenelec, UL e FM.
Controlnet mette a disposizione molteplici topologie di rete, comprese
quelle a bus lineare con brevi innesti, ad albero, ad anello e a stella.
Supporta inoltre l’‘hot swap’ dei nodi. Il mezzo trasmissivo può essere
rame o fibra; il collegamento in fibra è di tipo punto-punto ‘full duplex’
con transceiver in ogni nodo. Per il rame viene adottato un cavo coas-
siale di tipo RG-6 a quadrupla schermatura con impedenza caratteristica
di 75 Ohm e connettori BNC (IP20) o TNC (IP67); il vantaggio di questa
scelta sta nel basso costo e facile reperibilità di un prodotto utilizzato in
molte parti del mondo dai fornitori di TV via cavo. Per l’impiego in am-
bienti industriali sono disponibili varianti con guaina rinforzata. Le reti
Controlnet possono viaggiare fino a 5Mbps e supportano fino a un mas-
simo di 99 nodi su una lunghezza, in assenza di ripetitori, di 1.000 m,
ma l’uso di ripetitori permette di estendere il diametro della rete o col-
legare tra loro tratte su fibra a tratte su rame. Controlnet è pensata per
lo scambio ciclico di dati per mezzo di comunicazioni pianificate. Il mec-
canismo di accesso concorrente a divisione di tempo Ctdma previene
le collisioni e assicura che il trasferimento dati avvenga in maniera de-
terministica su base ripetibile. Le informazioni sono trasmesse in cicli
denominati Network Update Interval (NUI), dove ogni NUI occupa un
intervallo di tempo predefinito e ripetitivo denominato Network Update
Time (NUT), che può essere impostato in fase di configurazione con
valori compresi tra 2 e 100 ms.
All’interno di ciascun NUI sono previste tre fasi: una riservata al traffico
pianificato, in cui ogni nodo ha la certezza di poter trasmettere; una riser-
vata al traffico non pianificato, che non offre garanzie di trasmissione;
infine, una fase delimitatrice (‘guardband’), che contiene le informazioni
di sincronizzazione. L’acceso al mezzo, tanto per la fase pianificata quanto
per quella non pianificata, avviene con un meccanismo di tipo token ring:
Controlnet permette di realizzare diversi collegamenti, uniti tra loro per
mezzo di bridge, ciascuno dei quali dotato dei parametri NUT più consoni
a gestire la particolare sottorete.
Componet: CIP su Tdma
L’ultimo membro della suite di protocolli CIP, Componet, si contraddistin-
gue per semplicità ed efficienza: pensato per il collegamento di attua-
tori e sensori intelligenti e I/O remoto, è un fieldbus che si rivolge alle
applicazioni con numerosi nodi distribuiti sul campo. Trova applicazione
nelle macchine modulari, su nastri trasportatori o sistemi di automazione
dei magazzini e nelle applicazioni di raccolta dati. L’accento viene posto
sull’efficienza del trasferimento di piccoli pacchetti dati tra sensori, con-
trollori e attuatori. Componet utilizza un meccanismo di accesso al mezzo
a divisione di tempo (Tdma) per realizzare uno scambio ciclico di dati in
formato di bit o word su una rete ad alta velocità. La semplicità di Com-
ponet si riflette nell’adozione di un sottoinsieme delle funzionalità CIP e
in una semplificazione dello strato di trasporto dati. Lo strato fisico, in
particolare, derivato dallo standard RS485 fa uso della codifica Manche-
ster e di tecniche avanzate di filtraggio digitale. Il mezzo usato è rame
nella forma di piattina quadrifilare (che porta dati e alimentazione per
semplificare l’installazione) o di semplice doppino in rame non schermato
(per ridurre i costi di cablaggio). Consente velocità di trasmissione dati
comprese tra 93,75 kbps e 4Mbps, con relativo compromesso sulla mas-
sima lunghezza di tratta consentita. L’I/O ciclico, per un massimo di 2.560
punti, può essere distribuito su un massimo di 384 nodi, ma la rete può
essere ampliata utilizzando fino a 64 ripetitori dedicati. I ripetitori possono
collegare sezioni con cavi di diverso tipo, incrementando la flessibilità
della topologia di rete.
L’accesso a divisione di tempo attribuisce a ciascun dispositivo un in-
tervallo predefinito nel ciclo di comunicazione, pensato per consentire il
trasferimento di piccole quantità di dati da parte di un elevato numero
di nodi. La temporizzazione è imposta da un dispositivo master e viene
calcolata tenendo conto della posizione dei nodi nella rete, in modo da
compensare il tempo di propagazione e ridurre i ritardi associati alla pre-
senza dei ripetitori.