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NOVEMBRE 2014 FIELDBUS & NETWORKS 76
Ethernet protocolli diversi. Questa libertà di azione permette anche
di sviluppare protocolli realtime basati su Ethernet standard tali da
evitare le collisioni sul mezzo trasmissivo responsabili del mancato
comportamento realtime. Parlando specificatamente del sistema ad
accesso multiplo Csma-CD, per eliminare le collisioni si può interve-
nire in due modi: a livello hardware, impiegando nell’infrastruttura
di rete dispositivi in grado di gestire ed evitare le collisioni, come
gli switch, oppure a livello software, come è
stato fatto con Powerlink, senza imporre vincoli
architetturali che potrebbero limitare le possibi-
lità della progettazione. Il tutto salvaguardando
l’integrazione in linea verticale con lo standard
Ethernet impiegato dal management, quello nor-
malmente in uso a livello ‘office’. In tal modo,
è possibile ‘passare’ lungo i tre livelli dell’auto-
mazione, ossia campo, controllo e ufficio, senza
soluzione di continuità, senza bisogno di intro-
durre gateway o altri dispositivi che ‘traducano’
i messaggi da una rete all’altra, ma è soltanto
necessario avere installato sulle macchine un
driver che sia in grado di ‘tradurre’ lo specifico
protocollo Ethernet utilizzato.
La soluzione Powerlink offre un Ethernet real-
time, che assolve alle esigenze di tutti i livelli. Basato su Ethernet
standard, non modifica in alcun modo gli strati definiti in Ieee 802.3,
per cui non necessita di ‘conversioni’ per accedere al mondo ‘of-
fice’, al contempo offre una comunicazione in tempo reale adatta al
campo manifatturiero con esigenze di determinismo anche spinte,
come nel motion control. Oltretutto, facendo largo uso di software
open source, può mantenere costi inferiori alla media. Il codice open
source si riferisce alla distribuzione gratuita dello stack di comu-
nicazione Powerlink, ovvero il software per la creazione del tele-
gramma Powerlink che verrà usato per la parte di comunicazione.
Infine, dato che i meccanismi sono implementati a livello software,
è possibile utilizzare una qualsiasi infrastruttura di rete hardware.
Una rete che funziona
La rete Powerlink si compone di un master, definito ‘network ma-
nager’, preposto alla gestione della rete, e di slave, fino a 239, che
costituiscono i nodi della rete, per un totale di 240 unità supportate.
È possibile realizzare topologie ad albero, daisy chain o stella e
anche ad anello, senza limiti di estensione. L’unico vincolo fisico è
imposto da Ethernet, che richiede un’estensione massima tra due
nodi della rete di 100 m, se il mezzo trasmissivo scelto è rame. Il
master decide chi prende la parola e quando e aspetta le risposte,
garantendo prestazioni realtime, affidabilità e tempi di ciclo brevi.
Altra caratteristica peculiare della rete è l’‘hot plug’, ossia la possi-
bilità di sostituire ‘a caldo’ i dispositivi senza interruzione della rete.
A ogni unità che trasmette in Powerlink viene infatti assegnato un
indirizzo MAC e IP specifico, si ha quindi un indirizzo Powerlink unico
per device. Nel momento in cui si elimina un’unità e se ne inserisce
un’altra, configurandola e assegnandole lo stesso indirizzo di quella
che è stata tolta, essa viene subito identificata in rete come fosse
la prima e ne utilizza lo stesso schema e modello, senza bisogno
di interventi a livello di ingegneria. Si tratta di un meccanismo che
Powerlink eredita da Canopen, in quanto si tratta di un ‘Canopen
over Ethernet’, e che aumenta la disponibilità e affidabilità della
rete, dove non viene mai a mancare il realtime. Il telegramma che
viene impiegato per lo scambio dati ciclico è Ethernet standard, con
il quale Powerlink è ‘fully compliant’. L’intestazione contiene l’indi-
rizzo MAC del destinatario e di chi manda il messaggio; l’Ethernet
Type 88ABh contrassegna quindi il messaggio
come ‘Powerlink’. Vi è poi la parte di Ethernet
payload che è di fatto il telegramma Powerlink.
Un ciclo Powerlink consta di tre fasi. Nella prima,
di ‘inizio del ciclo’, il master (network manager)
invia un messaggio il cui frame contiene il ‘Mes-
sage Type’ definito ‘Start of Cycle’. Nella fase
isocrona, il master invia una ‘PollRequest’, ossia
una richiesta di informazioni alla quale risponde
ciascun nodo della rete. Durante la fase sincrona
gli slave inviano i dati in broadcast, per cui tutti
i partecipanti della rete assistono alla trasmis-
sione, e si posso realizzare comunicazioni ‘slave
to slave’ alleggerendo il carico di dati sul control-
lore. Quindi viene la fase asincrona, durante la
quale vengono trasmesse informazioni non utili
al controllo di processo, che prosegue così senza interruzioni. Per
esempio, si possono inviare dati di configurazione per i nuovi dispo-
sitivi (hot plug) oppure per l’integrazione dei valori provenienti da
altri tipi di bus di campo, ‘classici’. Grazie a questa caratteristica
della rete è possibile gestire parallelamente il controllo realtime
e l’invio di dati asincroni, quali quelli di auto-diagnostica che pure
sono integrati in Powerlink. Un discorso a parte meriterebbe poi il
protocollo di sicurezza OpenSafety, che può essere implementato
al di sopra del protocollo Powerlink, in modo che venga assicurata,
oltre al realtime, anche la sicurezza con un livello di integrità che
arriva fino a SIL3.
Le modalità di comunicazione in uso sul protocollo fanno sì che la
probabilità di guasto del mezzo fisico e di codifica del frame sia
pari all’1% al massimo della probabilità di guasto identificata la
funzione di sicurezza in esame, probabilità espressa dal livello SIL
assegnato alla stessa funzione. Il requisito della probabilità infe-
riore all’1% della connessione di comunicazione nella catena di
sicurezza è quanto richiesto dalla norma sulla sicurezza funzionale
IEC61508. Lo stack del protocollo Powerlink per master e slave, in-
fine, è open source, sviluppato in Linux ma trans-piattaforma, per
cui adatto a sistemi operativi quali VxWorks, QNX, Window ecc.
Poiché i software open source hanno comunque bisogno di licenza,
Epsg ha optato per la meno vincolante BSD, per cui è possibile la
redistribuzione del software direttamente tramite download online.
Il protocollo è inoltre certificato OSI (Software Open Source), il che
ne ha permesso il riconoscimento quale standard in Cina e l’otteni-
mento della marcatura SIL3 da parte di TÜV.
Epsg - Ethernet Powerlink Standardization Group -
Messe Frankfurt Italia -
Stéphane Potier, technology
marketing manager di Epsg
Fieldbus & Networks