Cento stazioni in meno di un microsecondo.

Pubblicato il 12 maggio 2002

Un perfetto sincronismo

Gli assi, reali o virtuali, sono legati fra loro con una serie di configurazioni master-slave, anche a catena, e con camme elettroniche. I servoazionamenti Acopos chiudono al loro interno in cascata gli anelli di posizione, velocità e corrente. Essendo inoltre dotati di intelligenza a bordo, il sincronismo è ottenuto utilizzando più Acopos come generatori di traiettorie (tanti quanti sono i gruppi master-slave), i quali tramite la rete inviano ai rispettivi assi slave i setpoint di posizione. Con questo sincronismo e questo numero di stazioni si ha pertanto l’opportunità di aggiornare ogni 2,4 ms i setpoint di posizione generati da più entità master. E’ importante segnalare che, poiché la chiusura dell’anello di posizione all’interno dell’Acopos è di 400 microsecondi, tra due setpoint successivi avviene una interpolazione lineare. Per quanto riguarda il PLC, il sincronismo dati è garantito dal fatto che, essendo tutte le CPU B&R dotate di un sistema operativo multitasking deterministico, esiste una task sincronizzabile alla rete Powerlink. Questo approccio permette di risolvere il problema del coordinamento delle informazioni, anche se si deve sviluppare una logica PLC classica da sincronizzare ad altri elementi facenti parte della rete.

I motivi della scelta

Numerosi sono stati i motivi che hanno portato alla scelta della configurazione descritta. In primo luogo le prestazioni, soprattutto per quanto riguarda la velocità, il determinismo, il jitter della rete e la standardizzazione a livello hardware della stessa. In secondo luogo la possibilità di usare un solo media fisico ed un solo protocollo per collegare elementi diversi tra loro (PLC, I/O remoti, assi). Un altro vantaggio riguarda il numero di assi. Ethernet Powerlink permette infatti di gestire una rete di azionamenti Acopos nella quale sono presenti più master. Normalmente, aumentando il numero di stazioni in un protocollo master-slave si rischia un tracollo dell’intelligenza centrale. In questo caso, l’intelligenza distribuita della struttura (l’Acopos dispone al proprio interno di un processore ad alte prestazioni) permette di gestire un numero elevato di assi, senza richiedere una unità centrale di elaborazione e coordinamento con enormi potenze di calcolo. A differenza di una struttura master-slave pura, poi, Ethernet Powerlink prevede una comunicazione broadcast delle informazioni, senza che queste debbano transitare preventivamente per il master prima di raggiungere il destinatario. Il master stesso non viene quindi penalizzato dalla necessità di gestire un traffico proporzionale al numero di stazioni, limitandosi a fornire il clock alla rete. Infatti, tutti i nodi della stessa sono sempre in ascolto. Il tempo di ciclo di Ethernet Powerlink è configurabile ed è normalmente programmato in multipli di 400 ms per il sincronismo con gli anelli di posizione, velocità e corrente chiusi all’interno degli Acopos. E’ tuttavia possibile programmare un tempo di ciclo diverso, per esempio, di 250 ms. Anche la dimensione del pacchetto (dello slot) è configurabile. Inoltre, la configurazione adottata rende facilmente ampliabile la rete, senza richiedere sostanziali modifiche all’architettura, alle intelligenze presenti e soprattutto garantendo assolutamente costanti le prestazioni generali (il jitter rimane sempre inferiore al microsecondo, anche nel caso di estensione massima a 253 stazioni).

Non solo per numerose stazioni

L’esempio preso a riferimento tratta ovviamente una applicazione particolarmente complessa, al fine di chiarire quali sono le caratteristiche e le prestazioni raggiunte sul campo con Ethernet Powerlink. E’ comunque opportuno precisare che questa rete si adatta in maniera eccellente anche a configurazioni molto più limitate in termini di stazioni, magari più vicine alla media delle macchine che richiedono automazione, ma che comunque necessitano di prestazioni particolarmente elevate. Molte applicazioni svolte richiedevano il controllo di pochi assi, con una o due stazioni remote e una piccola interfaccia operatore. In questo caso le prestazioni raggiunte sono state quelle di poter sincronizzare fino ad 8 stazioni in un tempo di 400 microsecondi, rispettando sempre il jitter di rete infieriore ad 1 microsecondo. La differenza di prezzo che si poteva avere nell’utilizzare una rete diversa da Powerlink (per esempio CAN), era così limitata da giustificarne l’utilizzo, considerando i vantaggi in termini di prestazioni.

Focus su…

Dopo avere parlato della rete, mettiamo ora a fuoco alcuni elementi fondamentali dell’architettura, iniziando dal PLC. Nell’applicazione descritta, è stata utilizzata la nuova CPU CP360 del sistema B&R 2005. Basata su un processore Intel Pentium a 266 MHz (a differenza delle altre CPU B&R, che utilizzano processori Motorola – se ovviamente si escludono le architetture SoftPLC), con cache L1 e L2 da 512 kB, bus interno a 64 bit, 32 MB di DRAM, 256 kB di SRAM per le variabili di processo e 512 kB di SRAM a disposizione dell’utente; essa permette di eseguire le task in tempi molto rapidi: un esempio è dato dal fatto che la task sincronizzata con la rete Powerlink può essere parametrizzata con un tempo di chiamata di 400 ms. La CPU non ha memoria flash a bordo, ma utilizza una compact flash rimovibile con capacità da 8 a 320 MB. Ciò permette di avere accesso a dimensioni di memoria molto elevate a costi particolarmente contenuti, grazie all’utilizzo di tecnologie che rappresentano uno standard di mercato. Il modulo integra una porta Ethernet TCP/IP a 10/100 Mbps, una interfaccia seriale RS-232 ed è provvisto di uno slot per l’inserimento dei moduli d’interfaccia. Tutte le CPU B&R hanno infatti la caratteristica di non essere univocamente legate a determinate porte di comunicazione ma di permettere, attraverso un minislot, di configurare l’interfacciamento sul campo in base alle specifiche esigenze. Si noti che tali dispositivi utilizzano il bus proprietario aPCI (advanced PCI), che assicura le stesse prestazioni del bus PCI di un PC, ma ha ovviamente dimensioni fisiche diverse da quest’ultimo. Per gestire il traffico dati all’interno del bus e garantire il trasferimento degli stessi praticamente senza jitter, la CP360 utilizza un processore I/O separato dal Pentium, migliorando quindi le prestazioni generali del sistema.

Il processore principale infatti, essendo scaricato dai compiti di gestione del bus, può sfruttare tutto il suo potenziale, soprattutto in termini di elaborazione di algoritmi di calcolo complessi (il dispositivo è provvisto di un potente coprocessore matematico).