Cento stazioni in meno di un microsecondo

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Da quando, circa un anno fa, B&R ha introdotto Ethernet Powerlink (vedi Automazione oggi n. 235 dell’Aprile 2001), le applicazioni di questa rete sono aumentate costantemente, a concreta dimostrazione del successo che essa ha incontrato sul mercato. D’altra parte, la promessa che troviamo nel relativo catalogo di prodotti è stata mantenuta: ‘Ethernet in real-time, molti ne parlano, noi abbiamo la soluzione’. Ricordiamo che Ethernet Powerlink è completamente basato sullo standard Fast Ethernet, pertanto corrisponde esattamente alla topologia e alle proprietà fisiche dello stesso. La velocità di trasferimento è di 100 Mbps e utilizza doppini intrecciati standard (patch cable cat. 5) con connettori RJ45. Il numero massimo di stazioni è 253, la lunghezza del segmento è di 100 m e sono possibili strutture a stella e ad albero. Tra le applicazioni più interessanti che dimostrano le reali potenzialità di Ethernet Powerlink e di molti altri prodotti B&R, troviamo quella realizzata recentemente presso uno dei leader mondiali del settore packaging.

Una soluzione omogenea per un’architettura complessa

Osservando lo schema dell’impianto in oggetto, possiamo notare la presenza di ben 100 stazioni eterogenee fra loro, tra cui un PC industriale, un PLC, moduli di I/O remoti e servoazionamenti digitali (la maggior parte dei quali atti a gestire sofisticati sincronismi ed interpolazioni assi con profili a camme). Per descrivere più in dettaglio l’architettura, possiamo partire dall’interfaccia operatore basata su un PC industriale Provit 5000, che è collegata a un PLC serie 2005 tramite Ethernet TCP/IP standard. Dal PLC esce una linea Ethernet Powerlink, a cui sono connesse 50 stazioni di I/O digitali e 50 servoazionamenti intelligenti Acopos. Le stazioni di I/O hanno mediamente 16 ingressi e 16 uscite. Poiché ai 50 servoazionamenti si aggiungono 13 assi virtuali, dal punto di vista software e dei dati transitanti in Powerlink le stazioni effettivamente gestite sono 113. Il tutto per un tempo di refresh della rete (tempo di ciclo del bus) di 2,4 ms, ma soprattutto con un jitter (tempo di latenza) inferiore al microsecondo. Quest’ultimo elemento è di fondamentale importanza: il jitter rappresenta infatti l’indeterminazione del sistema e l’errore che esso può commettere. Un valore inferiore al microsecondo permette di disporre di una rete veramente deterministica a errore nullo. Un altro aspetto di considerevole interesse è che tale valore rimane costante indipendentemente dal numero di nodi, che comporta soltanto la variazione del tempo di ciclo della rete, ma non della sua precisione globale. Il progetto sviluppato, quindi, fa in modo che, ogni 2,4 ms, ciascuna delle stazioni ha la possibilità di scrivere i propri dati sulla rete mentre la lettura è di tipo broadcast, ossia ogni stazione è in grado di leggere i dati resi. In tutti i casi la precisione inferiore al microsecondo è assolutamente garantita.

Elementi eterogenei

Come l’applicazione dimostra chiaramente, Ethernet Powerlink può collegare anche prodotti eterogenei fra loro. A differenza di altre reti ad alte prestazioni presenti nel mercato, focalizzate e particolarmente efficaci solo nel caso di connessione a dispositivi omogenei, Ethernet Powerlink si propone infatti come soluzione unica per la comunicazione tra componenti diversi di un sistema di automazione: visualizzazione, controllo, remotazione di I/O e movimentazione assi possono scambiarsi informazioni attraverso la stessa rete. Come già accennato precedentemente la topologia di collegamento può essere ad albero, con utilizzo di hub a due porte (un ingresso e un’uscita), o a stella, con hub tradizionali. Nella configurazione in oggetto è stata utilizzata una topologia mista. Nel caso degli Acopos, per esempio, la scheda che gestisce il Powerlink è un hub a due porte e gli Acopos risultano quindi in cascata fra loro. Per quanto riguarda gli I/O digitali, invece, vi sono moduli che hanno un solo connettore RJ45 per il Powerlink e altri moduli che ne hanno quattro. A parte questi, sono comunque stati utilizzati, per motivi contingenti al cablaggio e alla struttura dell’impianto, degli hub industriali veri e propri, a 8 porte classe 2 (senza switch per non introdurre ritardi inaccettabili nella rete), di produzione B&R.

Comunicazioni asincrone e stazioni lente

Ethernet Powerlink prevede anche comunicazioni asincrone: la gestione delle informazioni avviene infatti con slot di comunicazione deterministici (quindi sincroni fra loro), ma alla fine di ogni ciclo è previsto uno slot asincrono. Il master della rete riceve le richieste che provengono dalle varie stazioni asincrone e accorda l’accesso a questo slot in base a una coda FIFO. Ciò significa che, senza incidere sui 2,4 ms di tempo ciclo (che, si noti, è riferito a questa configurazione particolare della rete con 100 stazioni) e sul determinismo della rete, è possibile eseguire in parallelo alla comunicazione sincrona operazioni quali ad esempio la diagnostica, le funzioni di ‘tracing’ delle variabili (praticamente un oscilloscopio digitale a disposizione dell’utente), eventuali ridefinizioni delle relazioni master-slave tra assi, il download di profili a camme. Anche le camme (intese come connessioni non lineari fra assi) infatti, possono essere cambiate al volo, durante il funzionamento, senza bloccare la macchina o l’impianto. Ethernet Powerlink può gestire anche stazioni deterministiche con velocità diverse. E’ infatti possibile definire la periodicità con la quale una certa stazione può accedere alla rete. Per esempio, se nella stessa vi sono tre slave che non hanno particolari esigenze di velocità, essi possono essere assegnati allo stesso slot di comunicazione. Mentre tutte le altre stazioni comunicano ad ogni ciclo, questi tre slave, condividendo lo stesso slot, comunicano ciascuno ogni tre cicli (mantenendo comunque il determinismo). Lo slot dedicato allo sharing degli slave lenti è uno solo (quello prima dello slot asincrono), ma ad esso può essere assegnato un numero qualsiasi di stazioni. In questa particolare applicazione si è fatto uso anche di queste interessanti funzionalità.

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