Tesi Dottorato di Ricerca in Informatica e Telecomunicazioni Dott. Ing. Cristian Randieri: SISTEMI DI TELECONTROLLO REMOTO PER IL SUPPORTO AGLI ESPERIMENTI DI FISICA NUCLEARE - Università degli Studi di Catania. Facoltà di Ingegneria - Dicembre 2003

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
DOTTORATO DI RICERCA IN INFORMATICA E TELECOMUNICAZIONI
- XVI CICLO -
Dott. Ing. CRISTIAN RANDIERI
SISTEMI DI TELECONTROLLO
REMOTO PER IL SUPPORTO AGLI
ESPERIMENTI DI FISICA NUCLEARE
TESI DI DOTTORATO DI RICERCA
Coordinatore:
Ch.mo Prof. O. MIRABELLA
Tutor:
Ch.mo Prof. O. MIRABELLA
DICEMBRE 2003

Desidero ringraziare l’intero staff dell’ISTITUTO
NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE - LABORATORI NAZIONALI
DEL SUD di Catania ed, in particolare:
- il Prof. Vincenzo Bellini responsabile
INFN dell’Esperimento di interferometria
nucleare denominato CHIC,
- il Prof. Renato Potenza responsabile
INFN dell’Esperimento Diamante
per avermi concesso l’utilizzo delle risorse necessarie allo
svolgimento delle mie ricerche.
Un ringraziamento va al Prof. Orazio Mirabella per
avermi costantemente seguito durante tutte le fasi di
svolgimento della presente tesi.
Un ricordo va al Prof. Victor Rizza, che purtroppo non è
più tra noi, per avermi trasmesso la sua immensa voglia di
sapere, ricercare e mettere concretamente in pratica idee,
ricerche, studi.
In fine un ringraziamento sincero a tutti coloro che mi
hanno costantemente incoraggiato e supportato nel mio
lavoro di ricerca.

i
SOMMARIO
INTRODUZIONE
CAPITOLO I
PROBLEMATICHE INERENTI I SISTEMI DI SUPPORTO PER LA
RICERDA NEL CAMPO DELLA FISICA NUCLEARE
1.1 INTRODUZIONE.......................................................................................................................1
1.2 CONTROLLO REMOTO NEGLI ESPERIMENTI DI FISICA NUCLEARE ...................2
1.3 TECNICHE DI CONTROLLO REMOTO NEGLI ESPERIMENTI DI FISICA
NUCLEARE...............................................................................................................................5
CAPITOLO II
I FIELDBUS E L’ARCHITETTURA PROFIBUS
2.1 INTRODUZIONE.......................................................................................................................7
2.2 INTRODUZIONE AI FIELD BUS ...........................................................................................7
2.2.1 ARCHITETTURA DI RETE .............................................................................................................8
2.2.2 CARATTERISTICHE DEL TRAFFICO DI DATI E METODI DI ARBITRAGGIO......................................9
2.2.3 VANTAGGI DEL FIELD BUS .......................................................................................................10
2.2.4 TIPI DI FIELD BUS......................................................................................................................10
2.3 INTRODUZIONE AL PROFIBUS.........................................................................................13
2.3.1 ARCHITETTURA DI RETE ..........................................................................................................14
2.3.2 LA FAMIGLIA PROFIBUS ...........................................................................................................16
2.3.3 PHYSICAL LAYER.....................................................................................................................17
2.3.4 DATA LINK LAYER ...................................................................................................................20

ii
2.3.4.1 Generalità ..............................................................................................21
2.3.4.2 Token reception.....................................................................................22
2.3.4.3 Token trasmission..................................................................................22
2.3.4.4 Inserimento e rimozione di stazioni sul bus ..........................................23
2.3.4.5 Inizializzazione del ring logico..............................................................24
2.3.4.6 Token rotation time e priorità................................................................25
2.3.4.7 Modalità send/request ciclica e aciclica................................................25
2.3.4.8 Registrazione di stazioni .......................................................................26
CAPITOLO III
PROFIBUS PER LE ATTIVITA’ DI RICERCA DEL GRUPPO CHIC
DELL’INFN/LNS
3.1 INTRODUZIONE....................................................................................................................27
3.2 L'IMPIANTO PER GLI STUDI SULL'INTERFEROMETRIA NUCLEARE .................27
3.3 SISTEMA REMOTO DI MOVIMENTAZIONE..................................................................29
3.4 SISTEMA REMOTO PER LA GENERAZIONE DEL VUOTO ........................................31
3.5 RETE PROFIBUS ....................................................................................................................33
3.5.1 APPLICOM COMMUNICATION SERVER ................................................................................34
3.5.1.1 Tool di configurazione pcconf ..............................................................35
3.5.1.2 Applicom User Interface .......................................................................36
3.5.2 PROFIBUS DP SLAVES..........................................................................................................37
3.5.3 PROFIBUS FMS PLC..............................................................................................................38
CAPITOLO IV
CONTROLLO REMOTO DI POSIZIONE MEDIANTE PROFIBUS
4.1 INTRODUZIONE...................................................................................................................40
4.2 SISTEMA ELETTROMECCANICO DI POSIZIONAMENTO.......................................42
4.3 SISTEMA DI CONTROLLO LOCALE ...............................................................................43

iii
4.3.1 STRUTTURA INTERNA .........................................................................................................43
4.3.2 INTERFACCIA DI CONVERSIONE DEI SEGNALI .....................................................................44
4.4 PROGRAMMAZIONE DEI CONTROLLERS HCTL 1100...............................................49
4.4.1 ACCESSO ALLO SLAVE........................................................................................................49
4.4.2 ACCESSO AI REGISTRI DEI CONTROLLERS HCTL 1100 ........................................................51
4.4.3 INIZIALIZZAZIONE DEGLI HCTL 1100..................................................................................53
3.4.3.1 Reset ......................................................................................................53
3.4.3.2 Caricamento dei registri ........................................................................54
4.5 PROCEDURE DI SUPPORTO AL CONTROLLO.............................................................55
4.5.1 LETTURA DELLO STATO DEI FINECORSA.............................................................................55
4.5.2 CONTROLLO DI POSIZIONE E VELOCITÀ..............................................................................56
4.5.2.1 Controllo a profilo trapezoidale ............................................................56
4.5.2.2 Procedura di posizionamento ................................................................57
4.5.2.3 Procedura di lettura della posizione corrente........................................59
4.6 CALIBRAZIONE DEL SISTEMA DI POSIZIONAMENTO ............................................60
4.7 INTERFACCIA UTENTE DEL TERMINALE DI CONTROLLO REMOTO................62
4.7.1 FINESTRA PER IL CONTROLLO DI POSIZIONE.......................................................................64
CAPITOLO V
CONTROLLO REMOTO DEL VUOTO
5.1 INTRODUZIONE ....................................................................................................................66
5.2 ARCHITETTURA DI CONTROLLO DISTRIBUITA ......................................................69
5.3 ACQUISIZIONE DELLE MISURE DI PRESSIONE .........................................................70
5.3.1 MISURE ANALOGICHE DI PRESSIONE ..................................................................................70
5.3.2 CONVERSIONE DEI SEGNALI ..............................................................................................72
5.3.3 ACQUISIZIONE DEI DATI .....................................................................................................75
5.4 SISTEMA DI CONTROLLO LOCALE................................................................................79
5.4.1 CONFIGURAZIONE DEL PLC SULLA RETE PROFIBUS...........................................................79
5.4.2 ALGORITMO DI CONTROLLO LOCALE..................................................................................83
5.5 INTERFACCIA REMOTA DI COMANDO.........................................................................93
5.5.1 PROCEDURE PER LA COMUNICAZIONE FMS.......................................................................95

iv
CAPITOLO VI
RECS 101 UN SISTEMA DI CONTROLLO REMOTO BASATO SU
TECNOLOGIA MICRO WEB SERVER EMBEDDED
6.1 INTRODUZIONE ....................................................................................................................97
6.2 I SISTEMI WEB SERVER EMBEDDED ED INTERNET ................................................98
6.3 APPROCCIO MEDIANTE L'UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA JAVA .....................99
6.3.1 I VANTAGGI DELL'UTILIZZO DI JAVA.................................................................................101
6.3.2 L'UTILIZZO DI JAVA ALL'INTERNO DI SISTEMI WEB SERVER EMBEDDED...........................102
6.3.3 LA JAVA VIRTUAL MACHINE .............................................................................................104
6.3.4 IMPLEMENTAZIONE DELLA JVM ALL'INTERNO DI UN WEB SERVER EMBEDDED................105
6.4 UN CASO REALE:RECS 101 ..............................................................................................108
6.4.1 PERSONALIZZAZIONE DELL'INTERFACCIA UTENTE ...........................................................112
6.5 CONFIGURAZIONE DEI PARAMETRI DI RETE ........................................................119
6.6 UPLOAD DELL'INTERFACCIA UTENTE PERSONALIZZATA.................................119
6.7 IMPLEMENTAZIONE DELLE INTERFACCE HW PER LE PORTE DI I/O ............120
6.7.1 UNITÀ DI INPUT.................................................................................................................121
6.3.2 UNITÀ DI OUTPUT...............................................................................................................122
6.8 PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE IMPLEMENTATO IN RECS 101 ................123
6.8.1 MONITOR DELLO STATO DI I/O ..........................................................................................126
6.8.2 CONTROLLO DEI COMANDI DI OUTPUT..............................................................................128
6.9 COMUNICARE CON RECS 101: L'INTERFACCIA SOCKET IN C ...........................130
6.10 COMUNICARE CON RECS 101: L'INTERFACCIA SOCKET IN JAVA .................138
6.11 IL PROBLEMA DELLA SICUREZZA PER I WEB SERVER EMBEDDED .............140
6.11.1 POSSIBILI CONTROMISURE..............................................................................................144
6.12 I PRINCIPALI PROBLEMI DI SICUREZZA DEGLI APLLET JAVA ......................148
6.11.2 ARCHITETTURE DI SICUREZZA IN JAVA ..........................................................................150
6.13 RECS 101 SECURITY ........................................................................................................151

v
CAPITOLO VII
ESPERIMENTO DIAMANTE UN CASO REALE D’UTILIZZO DI
RECS 101
7.1 INTRODUZIONE..................................................................................................................153
7.2 ESPERIMENTO DIAMANTE..............................................................................................154
7.3 CONTROLLO REMOTO MEDIANTE RECS 101............................................................157
7.4 ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO......................................................160
7.5 INTERFACCIA DI POTENZA.............................................................................................162
CAPITOLO VIII
UN GATEWAY X10-TCP/IP PER IL CONTROLLO REMOTO DI UNA
CAMERA A VUOTO
8.1 INTRODUZIONE..................................................................................................................164
8.2 INTRODUZIONE AL PROTOCOLLO X10.......................................................................165
8.2.1 CENNI SULLA TEORIA DELLA TRASMISSIONE X10..............................................................166
8.3 PROTOCOLLO X10 MODIFICATO..................................................................................170
8.3.1 FORMATO DEI MESSAGGI ...................................................................................................171
8.3.2 PROTOCOLLO DI ACCESSO ALLA LINEA (MAC).................................................................183
8.3.3 PROCEDURE .......................................................................................................................184
8.4 CARATTERISTICHA DEL GATEWAY X10 ....................................................................186
8.5 SISTEMA REMOTO PER IL CONTROLLO DEL VUOTO ...........................................187
8.6 INTERFACCIA DI COMANDO ..........................................................................................190
CONCLUSIONI......................................................................................................................192
BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................195

INTRODUZIONE
INTRODUZIONE
Lo studio dei sistemi dinamici possiede oggi un carattere fortemente interdisciplinare, con
applicazioni riguardanti la fisica, la chimica e la biologia. In campo fisico le stesse tecniche,
nate per risolvere problemi di meccanica celeste (come ad esempio lo studio della stabilità
solare) vengono applicati alla dinamica stellare di una galassia [1], a fenomeni di ottica in un
mezzo non omogeneo [2], e alla fisica degli acceleratori di particelle [3]. In quest’ultimo caso,
in particolare, l’introduzione dei magneti superconduttori nella costruzione dei grandi
acceleratori adronici [4], pur avendo permesso di raggiungere campi magnetici elevati (e
quindi elevate energie) a costi contenuti negli ultimi anni ha dato un forte impulso alla ricerca
svolta nel campo della fisica nucleare.
Tali studi molte volte teorici, necessitano di opportune verifiche sperimentali che vengono
effettuate sfruttando sistemi complessi quali ad esempio gli acceleratori di particelle
unitamente ad altri il più delle volte autocostruiti specificatamente per l’esperimento oggetto
della ricerca. Tali sistemi per la loro caratteristica complessità necessitano di svariati
sottosistemi di controllo e monitoraggio remoto poiché i vari esperimenti nella maggior parte
dei casi sono molto rischiosi per l’essere umano che quindi demanda alle macchine la
supervisione ed il controllo di molti parametri sensibili.
Nasce quindi l’esigenza di mettere a punto ed utilizzare sistemi di controllo remoto di tipo
distribuito sufficientemente robusti da ben tollerare le avverse condizioni operative presenti
(campi elettromagnetici intensi, sorgenti radioattive, fluidi criogenici a bassissime
temperature ecc.) ed in grado di soddisfare i necessari requisiti di sicurezza, affidabilità e
semplicità: si pensi agli apparati per la generazione del vuoto, ai sistemi per l’acquisizione
delle misure sperimentali, a quelli per il controllo dei fasci di particelle, ai sistemi per il
raffreddamento a temperature prossime allo zero assoluto, a tutti i possibili attuatori e
trasduttori (pompe, elettrovalvole, organi meccanici) di supporto alla ricerca sperimentale nel
campo della fisica nucleare.

INTRODUZIONE
D’altro canto l’avvento e la diffusione delle nuove tecnologie delle telecomunicazioni
unitamente all’incessante sviluppo dell’elettronica digitale e delle reti di calcolatori ha
radicalmente modificato le tecniche e le metodologie per il controllo di processo di sistemi
molto complessi: in particolare oggi cresce sempre di più l’esigenza di un controllo
distribuito, dove sistemi intelligenti e dispositivi di controllo e/o di misura devono essere in
grado di comunicare tra loro. Unitamente a ciò è aumentata la necessità di ridurre al minimo
il cablaggio dei sistemi che si traduce nella riduzione della posa in opera e manutenzione dei
cavi. Queste nuove esigenze trovano nelle nuove tecnologie di networking svariate soluzioni
sufficientemente consolidate ed in via di progressiva diffusione. Fra queste i Field Bus o Bus
di Campo, le reti Ethernet con i micro embedded web server e lo standard X10, possono
fornire valide metodologie e soluzioni utilizzabili per il controllo remoto di impianti per la
ricerca sperimentale e la produzione industriale.
Della famiglia dei sistemi Field Bus o Bus di Campo ci riferiremo in particolare allo standard
ProFiBus (Process Field Bus) [5], che è una architettura di rete che prevede la presenza di un
unico mezzo di comunicazione o bus, costituito da un doppino schermato o da una fibra
ottica, al quale sono connessi tutti i sistemi di controllo e trasduzione, basata sul modello ISO
OSI ma del quale supporta solo tre dei sette livelli di comunicazione per ragioni di efficienza.
Tale tecnologia è particolarmente indicata in tutte quelle applicazioni tempo-critiche dove la
velocità di intervento costituisce uno dei fattori più importanti.
Per quanto riguarda le reti Ethernet verrà considerata un’architettura di controllo distribuito
che prevede l’utilizzo di micro embedded web server [6], che basati su sistemi a
microprocessore con interfaccia di rete e supporto Ethernet rappresentano entità autonome
capaci di operare all’interno di infrastrutture di reti dati esistenti.
In fine verrà preso in considerazione lo standard X10 [7] tipicamente adoperato per la Home
Building Automation che opportunamente integrato con i sistemi basati su micro embedded
web server permette una maggiore flessibilità di controllo per il controllo di piccoli sistemi
che non necessitano requisiti real time spinti.

INTRODUZIONE
In questo lavoro di tesi vengono presentati i risultati di una collaborazione tra l’ISTITUTO DI
INFORMATICA E TELECOMUNICAZIONI della FACOLTÀ DI INGEGNERIA dell’ UNIVERSITÀ DEGLI
STUDI DI CATANIA ed i LABORATORI NAZIONALI DEL SUD dell’ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE per la realizzazione e l’utilizzo esteso di soluzioni ed applicazioni dedicate al
controllo remoto di apparecchiature sperimentali di supporto alla ricerca nel campo della
fisica nucleare.
La prima applicazione descritta prevede l’utilizzo di una rete ProFiBus relativamente al
controllo remoto in tempo reale di un sistema robotizzato di movimentazione a tre gradi di
libertà per il posizionamento millimetrico di un complesso di rivelatori di ioni pesanti: in essa
sarà possibile apprezzare i potenziali vantaggi di affidabilità e semplicità dell’uso di un unico
bus di comunicazione unitamente alle buone prestazioni di velocità della rete che consentono
un’interazione dinamica sofisticata tra terminale di comando e postazione remota.
Una seconda applicazione propone un’architettura distribuita per il controllo del vuoto di una
camera per lo sviluppo ed il test dei rivelatori di particelle, con la quale verranno sottolineate
le caratteristiche di decentralizzazione dell’intelligenza che stanno alla base della filosofia dei
bus di campo e per la quale stazioni di supervisione, dispositivi di controllo (regolatori, PLC
ecc.), attuatori e trasduttori condividono lo stesso bus di comunicazione, potendo così
interagire nei più svariati modi.
Una terza applicazione prevede l’utilizzo di micro embedded web server con il supporto alla
Java Virtual Machine [8], per il controllo remoto di attuatori che si è rivelata particolarmente
utile per il controllo di alcuni strumenti di misura ed ha messo in evidenza le sue peculiarità di
portabilità all’interno di infrastrutture Ethernet già esistenti.
In fine viene presentata un’applicazione che mette assieme le caratteristiche delle precedenti
assieme allo standard X10 al fine di semplificare al massimo il cablaggio del sistema. In
questo modo è stato dimostrato come sia stato possibile eliminare quasi totalmente tutti i

INTRODUZIONE
cablaggi, fino adesso necessari, per l’interconnessione ed il controllo remoto di attuatori di
tipologia On/Off quali ad esempio valvole per il vuoto.

CAPITOLO I- PROBLEMATICHE INERENTI I SISTEMI DI SUPPORTO PER LA RICERCA NEL CAMPO DELLA FISICA NUCLEARE
1
CAPITOLO I
PROBLEMATICHE INERENTI I SISTEMI DI SUPPORTO
PER LA RICERCA NEL CAMPO DELLA FISICA
NUCLEARE
1.1 INTRODUZIONE
La continua evoluzione delle tecnologie basate sui sistemi digitali hanno fortemente
modificato le tecniche e metodologie usate nei sistemi di controllo. In particolare oggi la
richiesta di processi distribuiti richiede sistemi intelligenti, dispositivi di controllo e sistemi di
misura capaci di comunicare attraverso la rete. Un importante requisito di questi sistemi è
l’esigenza di ridurre le connessioni, il ché si traduce nel semplificare la gestione dei sistemi
diminuendone le problematiche inerenti alla manutenzione. I sistemi che verranno di seguito
proposti possono rappresentare una valida soluzione per il controllo remoto e per la misura
nei sistemi di acquisizione, normalmente applicati nella ricerca sperimentale oggetto della
fisica nucleare. Questo campo di ricerca richiede apparati di controllo distribuiti capaci di
lavorare in condizioni particolarmente difficili (campi elettromagnetici elevati, presenza di
particelle radioattive, bassa temperatura etc..) ed al tempo stesso bisogna soddisfare i
fondamentali requisiti di sicurezza, portabilità e semplicità. La presenza di un gran numero di
dispositivi complica ulteriormente la progettazione e realizzazione di tali sistemi di controllo.
Molti dispositivi devono essere controllati localmente, ciò richiede frequenti accessi nelle sale
sperimentali. Di norma l’accesso ad una di queste sale è rigorosamente regolamentato da un
accesso ristretto solamente al personale coinvolto nell’esperimento e richiede particolari
procedure dette “di ronda” che assicurano l’effettiva evacuazione del personale dalla sala
prima che venga riattivato l’esperimento in questione [9]. Sfortunatamente, l’ambiente tipico

2
degli esperimenti nucleari non è sicuro; di conseguenza è molto difficile e pericoloso per un
operatore umano recarsi all’interno di tali sale sperimentali per modificare i parametri dei
sistemi durante quando l’esperimento è in esecuzione. Per questo motivo, l’utilizzo di
moderne tecnologie di controllo remoto rappresentano valide soluzione poiché possono
fornire tools per implementare sistemi di controllo remoto; i sistemi di seguito descritti sono
dei sistemi di comunicazione largamente diffusi nel mondo industriale progettati per
soddisfare queste esigenze.
Il lavoro presentato contiene i risultati dell’implementazione di diversi sistemi di controllo
remoto utilizzati per il controllo di apparati sperimentali per la fisica nucleare. Il controllo
remoto di alcuni apparati rende la gestione dell’esperimento molto più flessibile, eliminando
ogni problema derivane dall’esigenza di accedere direttamente nelle sale sperimentali poco
sicure e pericolose per ogni essere vivente a causa dei forti livelli di radiazione che possono
essere presenti. Da non trascurare anche il fatto che gli esperimenti di fisica nucleare spesso
richiedono l’assemblaggio di sistemi le cui dimensioni sono considerevoli [4], [10]…[19], di
conseguenza effettuare accessi frequenti a questi dispositivi può essere oneroso e a volte
impossibile.
1.2 CONTROLLO REMOTO NEGLI ESPERIMENTI DI FISICA
NUCLEARE
Poiché gli apparati utilizzati negli esperimenti di fisica nucleare sono spesso molto
complessi e coinvolgono un gran numero di dispositivi di misura quali sensori ed attuatori, la
possibilità di gestire questi dispositivi attraverso un controllo remoto presenta due vantaggi:

3
1) permette agli operatori di modificare alcuni parametri dell’esperimento senza che questi
debbano direttamente accedere alle sale sperimentali;
2) permette di monitorare un gran numero di variabili fondamentali per il buon esito
dell’esperimento.
Il tipo d’informazione presente nel sistema può essere suddiviso in due categorie:
 La supervisione dell’impianto ed il controllo dei dati, necessari per il
corretto funzionamento del sistema.
Questa informazione viene utilizzata per settare le condizioni operative che
meglio si prestano per il corretto eseguimento dell’esperimento. La relativa
dinamica è modesta, perciò può essere gestita tramite controllo remoto utilizzando
un sistema distribuito.
 L’acquisizione dei dati sperimentali.
I segnali solo solitamente ottenuti a frequenze aleatorie e sono caratterizzati da
una durata molto piccola (generalmente pochi nanosecondi o meno); di
conseguenza essi devono essere memorizzati in loco il ché implica l’utilizzo di
sistemi di acquisizione dedicati che rendono l’eventuale trasferimento attraverso
un sistema a bus non adeguato.
I sistemi sperimentali a cui ci si riferisce vengono normalmente utilizzati per studiare le
particelle subatomiche dell’atomo. Normalmente sono necessarie adeguate strutture protette e
sicure alloggiate all’interno dei laboratori di ricerca per la fisica nucleare il cui accesso è
rigorosamente regolato da sistemi di protezione molto sofisticati e sicuri. Dopo un’attenta
analisi dei vari modi di funzionamento di svariati sistemi sperimentali è stata focalizzata la
nostra attenzione nel problema di monitorare i sistemi di controllo tipici di un esperimento di
fisica nucleare. In effetti abbiamo osservato che questa parte dell’esperimento viene
generalmente gestita in modo tradizionale adoperando soluzioni molto semplicistiche spesso

4
dettate da regole euristiche. Spesse volte negli esperimenti di fisica nucleare ci si concentra
molto di più nei sistemi di acquisizione dei dati sperimentali che nei sistemi di gestione
dell’esperimento stesso trascurando a volte tutta una serie di complicazioni puramente
operazionali che potrebbero limitarne la corretta esecuzione. L’insorgere di problemi di
questo tipo può limitare l’effettivo tempo di acquisizione dati poiché a volte è necessario
sospendere il fascio e quindi rifare un nuovo setup dell’esperimento stesso.
Più specificatamente sono state fatte le seguenti osservazioni:
· Attualmente la maggior parte dei sistemi di supporto sono attivati manualmente all’interno
delle sale sperimentali;
· Durante ogni esperimento la presenza delle radiazioni (pericolosa sia per gli essere umani
che per la strumentazione) richiede di mettere le sale sperimentali nello stato cosiddetto di
“Safety Control”; il che si traduce nel problema di dover sospendere il fascio ogni qualvolta
un operatore deve intervenire all’interno di tali sale[9];
· Tutte le connessioni tra le sale sperimentali e le sale di acquisizione hanno connessioni
dedicate di tipo punto-punto; Ciò significa che un gran numero di conduttori collegano le due
sale rappresentando di fatto un potenziale punto di diffusione delle radiazioni.
Sulla base di queste considerazioni, abbiamo identificato due punti chiave che influiscono
negativamente sui tempi di setup degli apparati sperimentali:
· I sistema di supporto per gli apparati multirivelatore. In particolare nell’esperimento
CHIC, tale sistema, comprendente 13 rivelatori CSi , deve poter essere movimentato durante
le varie fasi dell’esperimento in modo da potersi posizionare in punti diversi per ottenere
diverse calibrazioni durante le varie fasi di presa dati [20];
· Le camere da vuoto. Tale sistema rappresenta un componente essenziale per la ricerca da
quando i fasci prodotti dagli acceleratori vengono fatti fluire attraverso il vuoto poiché gli ioni
pesanti hanno la proprietà di degradare l’energia da essi posseduti quando sono a contatto con
l’aria. Quindi dal punto di vista sperimentale le camere a vuoto rappresentano un importante

5
sistema di supporto per la ricerca utilizzato per lo sviluppo e la messa a punto dei rivelatori di
particelle [21].
1.3 TECNICHE DI CONTROLLO REMOTO NEGLI ESPERIMENTI DI
FISICA NUCLEARE
I sistemi di controllo remoto rappresentano una tecnologia ben consolidata nei sistemi di
controllo industriale. Largamente utilizzati negli impianti industriali sino ad oggi hanno una
limitata estensione nelle applicazioni sperimentali. Concettualmente un sistema basato su
tecnologia ad infrastruttura di rete permette di sostituire un fascio di cavi con un cavo singolo.
Questo semplice concetto è una grande innovazione nei processi di controllo dei sistemi di
comunicazione, arrecante un cospicua serie di vantaggi (qualcuno direttamente, altri
indirettamente) i quali si riflettono nelle metodologie e nelle tecniche usate per la
autoprogettazione degli impianti.
I principali vantaggi possono essere descritti come segue:
· Riduzione dei costi dei cavi e quindi della loro installazione, di conseguenza ciò riduce il
numero delle scatole di giunzione, delle barriere di insolazione di sicurezza e da non
trascurare il problema di eventuali cortocircuiti dovuti ad una cattiva posa in opera;
· Facile addizione o rimozione di dispositivi del sistema senza la necessità di nuovi cavi.
Questo è un punto chiave nell’arrangiamento degli esperimenti i quali, diversamente dagli
impianti industriali, sono strutture dinamiche continuamente in evoluzione dove l’addizione o
la rilocazione di sensori è una frequente occorrenza;
· Riduzione in numero di connessioni per i dispositivi montati su parti mobili. Questo è un
innegabile vantaggio in apparati (per es. nelle braccia dei robots o nei supporti mobili dei

6
sistemi di misura) i quali usano un largo numero di dispositivi collegati e per i quali matasse
di cavi di interconnessione potrebbero rendere più pesanti e più rigide articolazioni;
· Effettuare meno aperture nei muri per passare i cavi. Quando un laboratorio è adattato per
evitare perdite di particelle inquinanti questo potrebbe essere un punto importante;
· Risparmio nel peso dei cavi;
· Riduzione degli errori di installazione. Nei sistemi complessi il problema degli errori umani
nei dispositivi cablati non dovrebbe essere sottovalutato. Quando sono usate centinaia di
connessioni può capitare che una connessione risulti errata (causata, per esempio dalla
confusione tra due differenti conduttori) , non sempre è possibile rivelare l’errore anche
quando il sistema è stato testato. Se è usato un sistema a bus, d’altro canto, i vari dispositivi
sono connessi in parallelo, sullo stesso bus o in differenti buses, e solo la configurazione del
sistema e l’applicazione software sono responsabili per la corretta esecuzione del flusso di
informazioni. E’ possibile implementare moduli software che controlleranno il corretto setup
del sistema;
· Riduzione dei costi di documentazione. Benché questo non sia una voce importante nella
totalità dei costi di un progetto, la fase di produzione della documentazione è una delle più
delicate (in vista di possibili aggiornamenti del progetto). Quando l’aggiornamento (come già
menzionato un esperimento di fisica nucleare è altamente dinamico) coinvolge variazioni
nella disposizione di un certo numero di dispositivi, gli schemi precedenti ed i disegni
richiedono considerevoli modificazioni.

CAPITOLO II – I FIELDBUS E L’ARCHITETTURA PROFIBUS
7
CAPITOLO II
I FIELDBUS E L’ARCHITETTURA PROFIBUS
2.1 INTRODUZIONE
Il ProFiBus é uno standard di bus di campo dalla architettura consolidata e ben definita dai
suoi promotori industriali (Siemens ed altri) e dal punto di vista commerciale è largamente
adottato come modello di riferimento da parte di molte case costruttrici di componenti per il
controllo industriale. In quanto bus di campo esso, grazie alla filosofia dell’unico bus di
comunicazione, rappresenta una valida alternativa a quei sistemi centralizzati dove la
presenza dei collegamenti punto-punto dalla stazione di controllo (workstation o PLC) verso i
vari dispositivi di supporto al controllo (attuatori, trasduttori ecc.) comporta fasi di
installazione ed ingegnerizzazione di notevole complessità anche per schemi di automazione
piuttosto modesti.
In questo capitolo vengono introdotti alcuni cenni sui bus di campo o Field Bus,
successivamente verranno analizzare più nel dettaglio alcune delle caratteristiche salienti del
sistema ProFiBus.
2.2 INTRODUZIONE AI FIELD BUS
Il controllo di processo a livello di singola cella o macchina di
produzione vede ancora oggi l’uso diffuso di connessioni
punto-punto tra un controllore (tipicamente una workstation o
un PLC) ed i vari sensori e attuatori: tali collegamenti fanno
4  20 mA
Fig. 2.1

8
uso di doppini intrecciati e della codifica “4-20 mA current loop” (Fig 2.1), codifica robusta
poiché basata sulla trasformazione dell’informazione binaria in termini di corrente iniettata
sul doppino da un generatore di corrente costante e quindi relativamente poco sensibile ai
disturbi di natura elettromagnetica. Questo sistema è abbastanza affidabile ma ciononostante
tende oggi ad essere considerato superato per i seguenti motivi:
 elevato numero di collegamenti e quindi grande impiego di fili;
 lavori di stesura e protezione dei fili piuttosto onerosi.
Da qui nasce l’idea di connettere tutti i dispositivi di campo tramite un unico bus detto
appunto “bus di campo” (Field Bus).
I Field Bus o bus di campo sono reti specializzate per la comunicazione tra dispositivi
finalizzati al controllo di processo , quali controllori, attuatori, sensori, la cui filosofia si basa
essenzialmente sulla presenza di un unico mezzo fisico di comunicazione di tipo seriale (bus)
per l’interconnessione tra i vari dispositivi.
2.2.1 Architettura di rete
Fig. 2.2 Architetture di rete: ISO OSI e Field Bus
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Collegamento
Fisico
Collegamento
Fisico
Applicazione

9
Con il sistema a bus unico, svariati dispositivi confluiscono sul medesimo canale di
comunicazione per cui le informazioni scambiate subiscono un processo di serializzazione: i
dati scambiati fra i dispositivi di controllo, gli attuatori ed i sensori hanno generalmente
dimensioni piccole (anche pochi bits) ma, una volta prodotti, devono raggiungere il proprio
destinatario in tempi estremamente piccoli, legati alla dinamica del processo controllato; al
fine di gestire i processi tempo critici altrettanto rapidamente che con il sistema dei
collegamenti dedicati punto-punto (comunicazione parallela), l’architettura dei Field Bus
risulta mancante dei quattro livelli intermedi presenti nel modello OSI; tale scelta
implementativa comporta uno snellimento nelle fasi di elaborazione dei pacchetti di dati
scambiati tra due unità qualsiasi, riducendo così i servizi offerti a quelli essenziali di livello
fisico, collegamento dati ed applicazione.
2.2.2 Caratteristiche del traffico di dati e metodi di arbitraggio
Il traffico di dati che caratterizza un bus di campo può essere suddiviso in tre categorie:
 traffico ciclico, caratterizzato da dati che con periodo costante vengono prodotti, immessi
sul bus e da esso prelevati; tipicamente tale traffico è costituito da istanze di variabili di
processo che periodicamente vengono monitorate; le operazioni con cui tali
comunicazioni vengono realizzate devono impiegare una quantità di tempo frazione del
tempo di ciclo;
 traffico aciclico, costituito essenzialmente da informazioni che possono essere generate
in qualunque istante e che sono generalmente associate al verificarsi di particolari eventi
(es. messaggi d’allarme, condizioni particolari di processo ecc.)
 traffico ciclico con periodo variabile.
Il problema della gestione del traffico è strettamente connesso con quello della distribuzione
della banda del canale tra le varie stazioni e quindi dell’accesso al bus stesso;

10
relativamente a quest’ultimo problema si presentano due grosse classi di soluzioni:
 un approccio distribuito che lascia alle stazioni connesse al bus il compito di stabilire di
volta in volta chi ha il diritto ad accedervi (es. token bus) riservando ad ogni stazione un
intervallo di tempo ben definito per effettuare le proprie comunicazioni;
 un approccio centralizzato che demanda ad una stazione prescelta il compito di arbitro
per l’assegnazione del bus alle stazioni richiedenti; sulla base delle informazioni in
possesso, tale stazione computa una tabella di schedulazione che regola l’ordine di
accesso al bus.
2.2.3 Vantaggi del Field Bus
L’ utilizzo del Field Bus comporta l’eliminazione dei cablaggi separati per ognuno dei
dispositivi di campo, con i seguenti vantaggi:
- semplificazione del sistema;
- riduzione dei costi di cablaggio e passaggio cavi;
- riduzione degli errori di installazione;
- espandibilità del sistema, grazie alla possibilità di connettere “a caldo” nuove stazioni al
bus, ossia senza dover interrompere la rete e quindi il suo funzionamento;
- pronto riconoscimento dei dispositivi guasti e di interruzioni nel cavo;
- possibilità di informazione broadcasting, per cui un dato prodotto da un nodo (es. un
sensore) è disponibile per tutti gli altri dispositivi connessi al bus;
- migliore distribuzione dei compiti che snellisce il carico di lavoro dei dispositivi di
controllo grazie all’adozione di attuatori e sensori sempre più intelligenti che, oltre a
disporre dell’hardware necessario per la comunicazione, posseggono la logica di
regolazione necessaria per la realizzazione locale del controllo ad anello chiuso.
2.2.4 Tipi di Field Bus
Esistono già diverse versioni di Field Bus, tra cui le più diffuse sono:

11
 FIP, uno standard sviluppato in Francia, distribuito solo a livello sperimentale e quindi
non ancora commercializzato. Dal FIP sono generati i seguenti tipi di traffico:
- traffico periodico per aggiornamento di variabili
- traffico aperiodico per aggiornamento di variabili
- traffico aperiodico per scambio di messaggi
La differenza tra messaggi e variabili sta nel fatto che un messaggio è una frame di
lunghezza maggiore di una variabile che è generalmente una informazione molto
piccola. Il traffico è rigorosamente schedulato per cui una stazione per trasmettere deve
avere il permesso dal Bus Arbitrator. Inoltre se essa ha informazioni acicliche da
spedire, può richiederne la schedulazione al Bus Arbitrator, agganciando tale richiesta
ad una trasmissione ciclica. Solo quando ci sarà un pò di banda libera il Bus Arbitrator
manderà l’autorizzazione a trasmetterle. Ovviamente tale meccanismo ottimizza la
trasmissione del traffico ciclico ma è poco efficiente nella gestione di quello aciclico.
 IEC, che dovrebbe costituire lo standard internazionale. Esso utilizza un approccio
centralizzato per la gestione del mezzo fisico, infatti l’architettura del Field Bus IEC
prevede un bus con un certo numero di stazioni chiamate Link Master, una delle quali
prende il nome di Link Active Scheduler (LAS) e ogni stazione Link Master ha bisogno
dell’autorizzazione del LAS per poter trasmettere. La tabella di schedulazione prevede
che ci siano una sequenza di trasmissioni di tipo ciclico e degli spazi vuoti disponibili
per il traffico aciclico, che viene gestito con un meccanismo a prenotazione. Questo
approccio permette una gestione più efficiente del traffico aciclico anche perché per
esso sono previsti tre tipi di messaggi con tre diverse priorità: Urgent, Normal e Time
Available.
 CAN, un sistema multimaster in cui l’accesso al bus avviene seguendo le regole di un
CSMA/CD modificato. Ogni nodo che necessita di trasmettere dei dati ascolta il bus e
se questo è libero inizia a trasmettere. Se due o più nodi iniziano contemporaneamente a
trasmettere avverrà una collisione e in questo caso il messaggio a priorità più alta
ottiene l’accesso. L’approccio usato è quindi distribuito, e basato su un meccanismo a
collisione più che a token. La priorità è associata ai messaggi, i quali hanno nomi

12
individuali che specificano il significato del dato. Il numero di nodi è pertanto illimitato
(a meno delle limitazioni di ordine fisico) e quindi si possono aggiungere nuovi nodi
senza cambiare l’hardware o il software del sistema.
Esistono inoltre altre versioni di Field Bus appositamente sviluppate per applicazioni
particolari, come ad esempio quello specializzato per l’automazione dei treni e il Field Bus
MIL 1552, utilizzato nel campo del trasporto aereo.

13
Fig. 2.3 ProFiBus: esempio di rete
2.3 INTRODUZIONE AL PROFIBUS
Il Process Field Bus (ProFiBus)[5] è un sistema di comunicazione nato per connettere
dispositivi di campo digitali diversi come trasmettitori, attuatori, controllori, PLC e dispositivi
di supervisione e programmazione.
Un bus di campo è di solito costituito da una o più unità centrali di supervisione con funzioni
di controllo e da un certo numero di dispositivi automatici (Fig. 2.3). La funzione più
importante del PROFIBUS è quella di permettere uno scambio ciclico di messaggi tra i
dispositivi di campo e l’unità centrale di controllo. Il sistema ProFiBus include stazioni attive
(Masters), in grado di iniziare comunicazioni indipendenti sul bus, e passive (Slaves) ossia
disponibili alla comunicazione solo su apposita richiesta esterna. In totale possono essere
indirizzate 127 stazioni, delle quali solo 32 attive. L’accesso al bus è realizzato con un
metodo ibrido, ossia di tipo Master - Slave per la comunicazione tra stazioni attive e stazioni
passive, e di tipo distribuito basato su Token Bus per la comunicazione tra stazioni attive. In
questo caso il token è passato da una stazione attiva alla successiva in un ring 1ogico, nel
quale ogni nodo non solo conosce il suo predecessore e successore ma possiede una lista
“Live List” di tutti i nodi vivi sul bus. Questo rende il sistema particolarmente robusto, infatti
se la stazione successiva non risponde si prova con quelle che la seguono nella Live List, fino
Master Unit1
PLC
Slave Unit 1
Control
Workstation
Master Unit2
Digital I/O Module
Digital I/O Module
Slave Unit 2

14
a quando qualcuna non risponde e, a meno che la rete non sia andata in crash, si riesce sempre
a far sopravvivere il ring che si riconfigura continuamente. Se il ring logico contiene una sola
stazione attiva e diverse stazioni passive si è nel caso di un sistema puramente Master-Slave.
L’accesso al bus viene controllato esclusivamente dalle stazioni attive: la comunicazione é
iniziata sempre da una stazione attiva che ha ricevuto il permesso (token) per l’accesso al bus.
Le stazioni passive invece rimangono neutrali, trasmettendo dati solo quando ne ricevono una
esplicita richiesta; normalmente restano in ascolto sul bus e sondano tutte le richieste,
rispondendo però solo a quelle che effettivamente le indirizzano; inoltre, la risposta da parte
di una stazione passiva deve avvenire entro un certo slot di tempo, oltre il quale la richiesta
deve essere ripetuta.
Il ProFiBus può essere usato in moltissimi campi, dal manufactoring alla produzione
energetica, dalla costruzione automatizzata all’industria di base, ed in generale dovunque
siano richiesti sistemi basati su bus e a basso costo.
Le prestazioni tecniche del bus possono essere adattate alla specifica applicazione: sono
infatti possibili differenti data rates che vanno da 9.6 Kbits/s a 12 Mbits/s, pur mantenendo
invariati i protocolli d’accesso e di comunicazione.
Nei prossimi paragrafi vedremo una breve descrizione dell’architettura di rete, seguita da una
panoramica sulla famiglia ProFiBus e sui suoi componenti; verranno poi di seguito descritte
con maggior dettaglio le caratteristiche comuni a tutte le varianti del ProFiBus.
2.3.1 Architettura di rete
Come nel caso dei FieldBus, il ProFiBus è stato anch’esso sviluppato sulla base del
modello OSI, anche se l’architettura utilizzata è quella classica di tutti i sistemi in tempo reale
per il controllo di processo (sistemi che presentano vincoli temporali piuttosto stringenti),
ossia con tre soli livelli:
1. Physical Layer
2. Data Link Layer
3. Application Layer

15
i livelli intermedi sono assenti per ovvie ragioni di velocità.
Si riportano di seguito i compiti svolti dai tre livelli:
 il livello 1 (Physical Layer) definisce le caratteristiche di trasmissione a livello fisico;
il PROFIBUS può essere utilizzato in una grande varietà di ambienti ed industrie dove
possono essere richieste comunicazioni digitali a basso costo sia tra i dispositivi di campo
che tra questi ultimi ed i controllori dei livelli più alti nella gerarchia di controllo; per
supportare questa varietà di applicazioni le varianti della famiglia PROFIBUS fanno uso
dei seguenti standard di comunicazione fisica: RS 485 e IEC 1158-2; inoltre
recentemente si è cominciata ad utilizzare anche la fibra ottica per permettere distanze di
trasmissione maggiori ed offrire un più alto margine di immunità ai disturbi;
 il livello 2 (Data Link Layer) definisce il protocollo d’accesso al bus; il DLL del
PROFIBUS segue lo standard IEEE 802 nel separare i servizi di comunicazione dei dati
(Link Control) dai servizi di controllo dell’accesso al mezzo fisico (Access Control); ciò
permette un più efficiente controllo dell’accesso al bus senza degradare o complicare i
servizi forniti all’Application Layer;
 il livello 3 (Application Layer) definisce i servizi applicativi; ogni versione del
PROFIBUS implementa un proprio Application Layer in modo da soddisfare le diverse
esigenze nell’ambito delle applicazioni industriali.

16
2.3.2 La famiglia ProFiBus
Al fine di soddisfare le diverse esigenze in ambito industriale, sono state fornite tre diverse
ma compatibili versioni di PROFIBUS:
 il PROFIBUS - FMS costituisce la soluzione general-purpose per la comunicazione a
livello di cella; i potenti servizi FMS permettono un ampio raggio di applicazioni ed una
grande flessibilità, anche in processi di comunicazione piuttosto complessi e onerosi; in
esso sono definiti tutti e tre i livelli visti in precedenza; l’Application Layer consiste di
un FMS (Fieldbus Message Specification) e una LLI (Lower Laver Interface); l’FMS
contiene il protocollo delle applicazioni e fornisce all’utente una vasta scelta di potenti
servizi di comunicazione, mentre l’LLI implementa le varie relazioni di comunicazione
e permette all’FMS un accesso indipendente dal dispositivo al livello 2 (FDL, Fieldbus
Data Link) che, invece, implementa il controllo dell’accesso al bus ed opportuni
meccanismi di sicurezza. Le tecniche di trasmissione utilizzate sono l’RS 485 o la fibra
ottica;
 il PROFIBUS - DP [5] è stato progettato soprattutto per la comunicazione tra sistemi di
controllo d’automazione e dispositivi di I/O e viene particolarmente utilizzato in tutte le
applicazioni che richiedono basso costo ed alta velocità; nell’architettura del
PROFIBUS - DP sono definiti solo i livelli i e 2 e l’interfaccia utente mentre mancano
invece i livelli dal terzo al settimo, assicurando così una trasmissione dei dati veloce ed
efficiente; le funzioni applicative fornite all’utente ed al sistema stesso sono definite
nell’interfaccia utente; per la trasmissione sono disponibili la tecnica RS 485 e la fibra
ottica;
 il PROFIBUS - PA é stato progettato in particolar modo per l’automazione di processo;
esso permette lo scambio di dati e l’alimentazione sul bus usando una tecnologia a due
cavi e seguendo lo standard internazionale IEC 1158-2; l’uso combinato di questa
tecnica di comunicazione e di un protocollo per la trasmissione dei dati, estensione di

17
quello usato dal PROFIBUS - DP, garantisce intrinseca sicurezza e permette ai
dispositivi di campo di essere alimentati sul bus.
PROFIBUS - DP e PROFIBUS - FMS usano la stessa tecnica di trasmissione e lo stesso
protocollo d’accesso al bus, per cui dispositivi diversi, appartenenti a queste due varianti di
fieldbus, possono essere connessi al medesimo bus; dispositivi basati sul PROFIBUS - PA
possono essere facilmente integrati in reti di PROFIBUS - DP/FMS utilizzando un
accoppiatore di segmenti.
2.3.3 Physical Layer
Come preannunciato nel paragrafo precedente, le tre varianti PROFIBUS fanno uso di
tecniche di trasmissione che si differenziano per lunghezza e topologia del mezzo, interfaccia
di linea, numero di stazioni e velocità di trasmissione; tuttavia esse usano lo stesso protocollo
di accesso al mezzo e lo stesso protocollo di trasmissione ed hanno un’interfaccia comune
all’Applicatìon Layer.
Si riportano di seguito alcune brevi descrizioni.
 RS 485 per DP/FMS:
è la tecnica più frequentemente utilizzata dal PROFIBUS; le sue aree di applicazione
sono tutte quelle in cui sono richieste alte velocità di trasmissione e installazioni semplici
e poco costose; il mezzo fisico utilizzato è il doppino intrecciato e schermato e le velocità
di trasmissione vanno da 9.6 kbit/s a 12 Mbit/s.
L’RS 485 é molto facile da gestire. La struttura del bus permette l’aggiunta e la
rimozione di stazioni o la realizzazione passo dopo passo del sistema senza influenzare le
altre stazioni. Successive espansioni del sistema non hanno effetti sulle stazioni già attive.
In ogni segmento di bus è possibile connettere fino a 32 stazioni. I1 bus è terminato
all’inizio e alla fine di ogni segmento da un apposito circuito a componenti passivi detto
Bus Terminator, che deve essere alimentato per garantire l’eliminazione degli errori di

18
riflessione. Quando sono utilizzate più di 32 stazioni. è necessario far uso di ripetitori per
connettere i diversi segmenti.
La tab. 2.1 riassume le principali caratteristiche dell’RS 485.
Topologia della rete
Bus lineare, terminato ad entrambe le estremità da
circuiti terminatori
Mezzo fisico Doppino intrecciata schermato
Numero di stazioni
32 stazioni in ogni segmento senza ripetitori; fino
ad un massimo di 127 stazioni con ripetitori
Tipo di connettori
Connettori D a 9 pin
Tab. 2.1 Caratteristiche dell’interfaccia RS 485
 IEC 1158-2 per PA:
è la tecnica che permette intrinseca sicurezza, soddisfacendo così le esigenze di svariate
industrie tra cui quella chimica e quella petrolchimica, oltre a consentire l’alimentazione
diretta sul bus per i dispositivi ad esso connessi; vediamone di seguito i punti essenziali:
- ogni segmento di bus possiede una sola sorgente di alimentazione detta Power
Supply Unit;
- l’alimentazione non viene fornita sul bus quando una stazione sta trasmettendo;
- ogni dispositivo di campo assorbe una corrente costante;
- la linea di bus è terminata ad entrambe le estremità da un bus terminator;
- è possibile realizzare reti con struttura lineare, ad albero ed a stella;
- è consentito l’uso di segmenti ridondanti per aumentare l’affidabilità.
La tab. 2.2 riportata di seguito mostra le principali caratteristiche della tecnica IEC 1158-
2.

19
Trasmissione dei dati Digitale, bit-synchronous, codifica Manchester
Velocità di trasmissione 31.25 Kbit/s
Supporto fisico Doppino intrecciato schermato
Alimentazione Sul bus, attraverso le linee di dati
Numero di stazioni
32 stazioni in ogni segmento senza ripetitori; fino
ad un massimo di 126 stazioni con ripetitori
Numero di ripetitori Sino ad un massimo di 4
Tab. 2.2 Principali caratteristiche della tecnica IEC 1158-2

20
2.3.4 Data Link Layer
2.3.4.1 Generalità
Il ProFiBus utilizza un metodo di accesso al mezzo fisico che è sostanzialmente un ibrido
tra due diverse tecniche: una di tipo distribuito basata sul modello del “Token Passing” ed una
di tipo centralizzato basata sul modello “Master-Slave”.
In particolare, come già anticipato precedentemente, l’accesso al mezzo fisico è controllato
esclusivamente dalle stazioni Master, le uniche stazioni attive collegate al bus, mentre le
stazioni Slave, passive, non possono mai accedere al bus di propria iniziativa ma solo su
richiesta delle stazioni attive. La comunicazione attraverso il bus è iniziata, sempre e solo,
dalla stazione Master che ha acquisito il token e che quindi ha il permesso di accedere al bus.
Il token viene trasmesso da una stazione attiva all’altra attraverso un “ring logico” ottenuto
grazie al fatto che ogni stazione Master collegata al bus conosce oltre al suo indirizzo TS
(This Station), sia quello della stazione Master che la precede (PS = Previous Station), sia
quello della stazione Master che la segue (NS = Next Station)(Fig. 2.4).
Fig. 2.4 Esempio di gestione dei token
token
Master Stations ring logico
PS TS NS
Slave Stations

21
Il ProFiBus è un bus di campo robusto, capace di gestire diversi stati, condizioni di errore o
eccezioni che possono presentarsi durante il normale funzionamento, tra le quali vi sono:
- presenza di token multipli nel bus;
- perdita del token;
- duplicazione degli indirizzi;
- presenza di stazioni malfunzionanti;
- aggiunta o eliminazione di stazioni dal bus;
Per quanto detto in precedenza, una stazione Master che riceve il token può accedere al bus
per scambiare messaggi con altre stazioni: tale scambio ciclico di messaggi è costituito da
frame di richiesta della stazione Master che possiede il token e da ack o frame di risposta da
parte di altre stazioni, Master o Slave; il ciclo viene interrotto solo quando la stazione Master
che possiede il token deve cederlo allo scadere del tempo a sua disposizione.
Le stazioni Slave e le Master che non posseggono il token stanno in ascolto sul bus e
rispondono alla stazione mittente solo quando sono esplicitamente indirizzate da una frame: la
risposta da parte della stazione indirizzata deve pervenire alla stazione mittente entro un certo
periodo di tempo detto “Slot Time”, superato il quale la stazione mittente ripeterà la richiesta
ovvero rispedirà una frame.
Da notare, comunque, che una qualunque richiesta, sia essa nuova o una ripetizione a causa di
un precedente fallimento, non può essere inoltrata rispetto alla precedente prima dello scadere
di un altro periodo di tempo detto “Idle Time”. Se dopo un certo numero prefissato di tentativi
la stazione destinataria non risponde alla richiesta, essa é marcata come “Non-Operational”:
i successivi tentativi di accedere ad essa verranno effettuati solo una volta senza ripetizioni
fino a quando non si avrà una risposta dalla stazione: a quel punto tutto riprenderà
normalmente.
Nel ProFiBus esistono sostanzialmente quattro modi trasmissivi:
 Token handling;
 Acyclic request or send/request operation;
 Cyclic send/request operation;
 Registration of station;

22
Fig. 2.5 ProFiBus: esempio di rete
essi verranno ampiamente descritti nei paragrafi seguenti.
2.3.4.2 Token reception
Una stazione Master (TS) può trasmettere sul bus solo dopo aver ricevuto il token dalla
stazione Master registrata come PS (Previous Station) nella sua LAS (List of Active Station:
la lista di tutte le stazioni attive collegate al bus, creata all’atto dell’accensione della
stazione); se invece il token arriva da una stazione Master che non coincide con la PS, la
stazione ricevente (TS) presuppone che si sia verificato un errore di trasmissione e rifiuta il
token; qualora però, dopo il primo rifiuto, la stazione TS dovesse ricevere di nuovo il token
dalla stessa stazione, accetterebbe il token presupponendo che la topologia del ring logico sia
cambiata (pe. la stazione PS è guasta); in tal caso inoltre, la stazione TS dovrà anche
modificare la sua LAS per aggiornarla alla nuova condizione del ring (Fig. 2.5).
2.3.4.3 Token transmission
Quando una stazione Master (TS) che possiede il token termina la sua attività di accesso al
bus perché è scaduto il tempo a sua disposizione (THT = Token Holding Time) oppure perché
non ha altri messaggi da inviare, deve cedere il token alla stazione Master NS (Next Station) e
mettersi in ascolto sul bus per verificare che la trasmissione del token avvenga correttamente.
token
Master Stations
PS TS NS

23
Infatti, per informare la stazione che la trasmissione ha avuto successo, la stazione Master
che riceve il token deve spedirle una frame. Può anche accadere che la frame ricevuta non sia
stata spedita dalla stazione NS: ciò vuol dire che un’altra stazione, e non la NS, si è
impossessata del token; in ogni caso, non appena ricevuta la frame, la stazione smette di stare
in ascolto sul bus. Un caso particolare si verifica, invece, quando la stazione TS dopo aver
spedito il token non riscontra nessuna attività sul bus per un periodo di tempo maggiore di un
intervallo prefissato detto Slot Time: in questo caso la stazione TS ripete la trasmissione del
token e attende, in ascolto sul bus, per un altro Slot Time; se in questo secondo Slot Time
viene riscontrata attività sul bus, la stazione TS finisce di stare in ascolto, altrimenti prova a
trasmettere il token alla stazione Master successiva alla NS; a questo punto si ripete il
procedimento precedente ossia, se la stazione TS riceve una frame smette di stare in ascolto
sul bus, altrimenti, trascorso lo Slot Time, riprova la trasmissione e così sia; se, infine, la
stazione TS è l’unica stazione Master presente sul bus, essa spedisce il token a se stessa fino a
quando non riesce a registrare un’altra stazione Master sul bus alla quale spedire il token.
2.3.4.4 Inserimento e rimozione di stazioni sul bus
Le stazioni Master e Slave possono essere rimosse o aggiunte al bus in qualunque
momento, fino ad un massimo complessivo di 127 stazioni. Gli indirizzi PS, NS e TS
contenuti nella LAS non sono consecutivi ma tra essi vi è un “GAP”, un intervallo di
indirizzi utili per l’inserimento di nuove stazioni: questi intervalli sono memorizzati in una
“GAP List” che però non contiene gli indirizzi compresi tra quello più grande e 127.
Ogni stazione Master possiede una GAP List e la gestione di quest’ultima avviene al
termine della trasmissione di tutti i messaggi ciclici, sempre che sia ancora possibile
mantenere il token, ovvero nell’ipotesi che la stazione Master sia riuscita a trasmettere tutti i
messaggi prima che il suo tempo di possesso del token sia scaduto.

24
Se una stazione non riesce a gestire la sua GAP List durante l’intervallo di tempo in cui
possiede il token, provvederà a farlo al successivo arrivo del token subito dopo la trasmissione
di tutti i messaggi ad alta priorità.
L’aggiornamento della propria Gap List da parte di una stazione Master che ha ottenuto il
token consiste nell’interrogare tutte le stazioni connesse al bus, richiedendo a ciascuna di esse
una frame di ack opportuna contenente lo stato della stazione interrogata (p.e. “not ready”,
“Slave station” ecc.).
2.3.4.5 Inizializzazione del ring logico
L’inizializzazione del bus è necessaria ogni volta che una stazione Master, pronta ad
entrare nel ring, non riscontra nessuna attività sul bus per un intervallo di tempo prefissato: in
questa condizione la stazione Master genera il token, se ne appropria, ed avvia una fase di
polling delle stazioni collegate al bus spedendo a tutte una “Request FDL Status” (Richiesta
dello stato a livello Fieldbus Data Link) che permette di conoscere lo stato attuale delle
stazioni interrogate: se queste ultime rispondono alla richiesta precedente con una “Master
Station not ready” oppure con una “Slave station”, vengono inserite nella GAP List; la prima
stazione Master che risponde con una “ready to enter logical token ring” è registrata come NS
nella LAS e ad essa viene passato il token. Con questo procedimento la singola stazione
Master riesce a ricostruire un primo ring logico costituito da due stazioni che può
successivamente essere esteso con l’aggiunta di altre stazioni.
Nel caso in cui si perda il token nel bus e la LAS e la GAP List esistano ancora, piuttosto
che inizializzare il bus è necessario reinizializzarlo: in quest’ultimo caso la stazione con
l’indirizzo più basso genera il token, se ne appropria e comincia la sua normale trasmissione
ciclica dei messaggi fino a quando non scade il tempo a sua disposizione; finita la sua attività
di comunicazione, la stazione Master passa il token alla stazione successiva e tutto riprende
normalmente.

25
2.3.4.6 Token Rotation Time e priorità dei messaggi
Quando una stazione Master riceve il token, essa comincia a misurare il “TRR” (Real
Rotation Time) rappresentante il tempo che intercorre tra l’istante in cui la stazione riceve il
token e quello in cui il token vìene ricevuto nuovamente dopo un intero giro del ring logico.
Un primo dimensionamento del sistema ProFiBus viene effettuato fissando il parametro
“TTR” (Target Rotation Time) che rappresenta il massimo valore del TRR che deve essere
misurato sul sistema e che dipende, in genere, dal numero di stazioni Master collegate al bus e
dalla durata della trasmissione dei messaggi ad alta priorità.
La differenza tra TTR e TRR prende il nome di “THT” (Token Holding Time) e rappresenta
appunto l’intervallo di tempo in cui una stazione Master possiede il token e può quindi
trasmettere i suoi messaggi: si noti comunque che, indipendentemente dal valore del TRR ,
ogni stazione Master deve avere sempre la possibilità, all’atto della ricezione del token, di
trasmettere un messaggio ad alta priorità e la relativa ripetizione in caso di errore; questo
meccanismo é implementato proprio per dare la possibilità a tutte le stazioni di segnalare
errori, guasti o allarmi che rappresentano appunto i messaggi a più alta priorità.
Per poter trasmettere più di un messaggio ad alta priorità ed eventualmente per trasmettere
anche messaggi a bassa priorità, una stazione Master deve registrare, all’istante in cui riceve il
token, un TRR minore del TTR, cioè deve avere a disposizione più tempo di quello minimo
stabilito in fase di progetto.
Ogni stazione Master che possiede il token comincia a trasmettere i messaggi ad alta priorità
e, solo se dopo la trasmissione di questi messaggi il THT è ancora positivo, passa alla
trasmissione di messaggi a bassa priorità o alla gestione della GAP List.
2.3.4.7 Modalità Send/Request ciclica ed aciclica
La modalità di trasmissione “Acyclic Send/Request” viene utilizzata ogni volta che
l’utente deve trasmettere o richiedere un dato (messaggio) in maniera asincrona: per far ciò

26
l’utente inoltra una specifica richiesta al controller FDL che trasmetterà in modo aciclico i
dati che gli sono forniti.
Nel caso di “Cyclic Send/Request”, invece, la stazione Master che possiede il token
interroga ciclicamente le altre stazioni collegate al bus seguendo un ordine stabilito in una
lista detta “Poll List”. La gestione della Poll List (Poll Cycle) comincia dopo che sono stati
trasmessi tutti i messaggi ad alta priorità: quelli a bassa priorità possono essere trasmessi solo
se alla fine del Poll Cycle il THT è ancora positivo, cioè se la stazione può tenere ancora il
token.
Se il THT non è sufficiente per completare tutto il Poll Cycle, la Poll List viene divisa in
segmenti e ciascuno dei segmenti viene gestito in arrivi successivi del token: in ogni caso i
messaggi a bassa priorità potranno essere trasmessi solo alla fine del Poll Cycle, quindi è
necessario bilanciare opportunamente il sistema in modo da evitare che i messaggi a bassa
priorità non vengano mai trasmessi.
2.3.4.8 Registrazione di Stazioni
Questa modalità di trasmissione viene attivata tutte le volte in cui l’utente inoltra al
controller FDL la richiesta della Live List, cioè della lista di tutte le stazioni collegate al bus:
per ottenere la Live List il controller FDL indirizza con una “Request FDL Status” tutte le
stazioni agganciate al bus, con l’eccezione di quelle contenute nella LAS.
Alla fine, gli indirizzi di tutte le stazioni che hanno risposto correttamente e di tutte quelle
contenute nella LAS verranno memorizzati nella Live List.

27
CAPITOLO III
PROFIBUS PER LE ATTIVITA’ DI RICERCA DEL
GRUPPO C.H.I.C. DELL’INFN/LNS
3.1 INTRODUZIONE
I sistemi basati su tecnologia ProFiBus presentano caratteristiche di elevata flessibilità e
affidabilità che ben rispondono ai requisiti necessari per la realizzazione di una rete di
comunicazione dedicata all’integrazione di controlli remoti di supporto alle attività di ricerca
nel campo della fisica nucleare.
In questo capitolo vengono introdotte le applicazioni del ProFiBus messe a punto in seno alle
attività del gruppo di ricerca C.H.I.C. dei LABORATORI NAZIONALI DEL SUD di Catania
(I.N.F.N.) [20]: in particolare vengono presentate le caratteristiche del sito all’interno del
quale hanno luogo le attività di ricerca; di seguito verranno introdotte le due applicazioni di
controllo remoto affrontate mediante l’uso del ProFiBus; infine verranno descritte la topologia
della rete ProFiBus ivi realizzata e le caratteristiche tecniche dei componenti hardware e
software adottati per la realizzazione della rete.

CAPITOLO III- PROFIBUS PER LE ATTIVITA’ DI RICERCA DEL GRUPPO C.H.I.C. DELL’INFN/LNS
27
3.2 L’IMPIANTO PER GLI STUDI SULL’INTERFEROMETRIA
NUCLEARE
Fig. 3.1 Fotografia della Neutron Chamber all’interno della sala del fascio
La figura 3.1 mostra la struttura della “Neutron Chamber”, preposta allo studio di
particelle pesanti: questa struttura, in dotazione al gruppo di ricerca C.H.I.C., si trova
all’interno dei Laboratori Nazionali del Sud dell’ I.N.F.N. ed è costituita da una serie di
camere stagne, provviste di apposite feritoie di osservazione, all’interno delle quali
vengono svolti esperimenti di interferometria nucleare: sotto opportune condizioni di vuoto
spinto, un fascio di particelle ad alta energia viene deflesso e convogliato verso la camera a
neutroni mediante una struttura a guida elettromagnetica (si notino i grossi elettromagneti
a sinistra nella foto) provocando il bombardamento di apposite targhette dette “bersaglio”;
gli effetti delle collisioni vengono rilevati da appositi rivelatori (i cilindri neri nella foto) e
le misure vengono acquisite ed analizzate in una sala di acquisizione separata.

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I motivi per cui ci si è mossi verso la realizzazione di una rete a bus di campo ProFiBus
sono i seguenti:
- attualmente tutti gli azionamenti delle apparecchiature di supporto sono di tipo manuale
e localizzati vicino alla struttura;
- durante ogni esperimento la presenza di radiazioni nocive per l’uomo e l’ambiente
richiede la chiusura ermetica del plesso; qualunque intervento non previsto, causa
guasti o altro, richiede l’interruzione del fascio ed un periodo di attesa (qualche ora)
prima di consentire l’ingresso dei tecnici in condizioni di sicurezza;
- tutti i collegamenti dall’impianto verso la sala di acquisizione sono di tipo dedicato
punto-punto;
sotto queste condizioni l’impiego del ProFiBus porta ai vantaggi già enunciati nel
precedente capitolo e qui brevemente riassunti:
- possibilità di controllare in remoto qualunque dispositivo senza alcun intervento in
loco;
- riduzione dei cablaggi a seguito del convogliamento delle informazioni e dei comandi
di controllo e azionamento su di un unico bus che, estendendosi per tutto il perimetro
del sito, sostituisce tutti i collegamenti punto-punto;
- sicurezza intrinseca nel trasporto dei dati garantita dal supporto a doppino intrecciato
schermato e dalla codifica differenziale RS485 dei dati che insieme riducono gli effetti
dei disturbi di natura elettromagnetica;
- espandibilità della rete grazie alla possibilità di inserire moduli slave o altri dispositivi
compatibili in qualunque punto del bus;
Nei prossimi paragrafi vengono introdotte due applicazioni di controllo remoto che nel
corso di svolgimento di questo lavoro di tesi sono state affrontate mediante l’utilizzo del
ProFiBus.

29
3.3 SISTEMA REMOTO DI MOVIMENTAZIONE
La prima applicazione di cui ci siamo occupati riguarda il controllo remoto di un
sistema di movimentazione a tre gradi di libertà per il posizionamento micrometrico di un
apparato (E.M.R.I.C.) costituito da 13 rivelatori di ioni pesanti allo ioduro di cesio: la Fig.
3.2.a mostra il sistema di movimentazione alloggiato all’interno della struttura sferica a
barre di Fig. 3.1, con sopra montato il sistema E.M.R.I.C. che si affaccia ad una finestra
della Neutron Chamber.
Fig. 3.2 Sistema di posizionamento
La Fig. 3.2.b mostra il modello 3D del sistema di posizionamento: esso è costituito da tre
guide lineari, ciascuna dotata di vite a ricircolo di sfere, disposte nelle tre direzioni
cartesiane; di esse, due sono del tipo a barra e sono disposte rispettivamente secondo le
direzioni orizzontali x e y, mentre il movimento nella direzione verticale z è realizzato
mediante una pedana sostenuta da quattro guide, anch’esse a vite.
a) b)

30
Ogni guida è azionata da un motore elettrico di tipo brushless, dotato di encoder ad
impulsi in quadratura e di riduttore di giri; infine alle estremità di ogni guida sono presenti
degli opportuni finecorsa per il rilevamento della corsa massima.
Le tabelle 3.1 e 3.2 riassumono le caratteristiche dei componenti utilizzati:
L’apparato di movimentazione è corredato da un sistema di controllo dedicato: esso è
costituito da un backplane sul quale sono montate 3 schede di controllo, ciascuna utilizzante
un chip specializzato (HP HCTL-1100) per il controllo di motori elettrici in continua di tipo
brushless o passo passo.
La logica d’interfaccia del backplane fornisce 3 porte ad 8 bit il cui tipo ed uso è descritto
in tab. 3: di esse, la porta A , bidirezionale, è quella dedicata allo scambio dei dati da e
verso i registri dei chip di controllo, la porta B , di input, viene utilizzata per la lettura dei
finecorsa ed infine la porta C , di output, serve all’indirizzamento dei chip e per la
generazione dei segnali di sincronismo; i dettagli relativi al funzionamento ed alla
programmazione degli HCTL1100 controllers verranno ampiamente illustrati di seguito.
Motore N° impulsi
x giro
Rapporto di
riduzione
Alimentazione (V)
X 400 43  1 12
Y 400 43  1 24
Z 400 14  1 24
tab. 3.1
Guida Risoluzione
(mm/giro vite)
X 5
Y 5
Z 0.25
tab. 3.2
Porta Tipo Uso
A I/O Dati, Registri
B I Dati
C O Sincronismo
tab. 3.3
Fig. 3.3 Struttura interna del sistema di controllo

31
3.4 SISTEMA PER LA GENERAZIONE DEL VUOTO
Fig. 3.4 Camera a vuoto per lo sviluppo ed il test di rivelatori
La seconda applicazione di controllo remoto realizzata con l’ausilio dei sistemi ProFiBus
riguarda un sistema di supporto alla ricerca, per lo sviluppo e la calibrazione dei rivelatori
di particelle; nella Fig. 3.4 è rappresentato lo schema completo dell’impianto che si
compone di: una camera stagna, una pompa rotativa di pre-vuoto, una pompa turbo per la
creazione del vuoto spinto, uno strumento per la misura della pressione, due trasduttori di
pressione rispettivamente per valori compresi tra 110-3
 1103
mbar (Pirani) e 110-9


32
110-3
mbar (Penning), quattro elettrovalvole delle quali due per il rientro d’aria e due per
l’estrazione dell’aria dalla camera (pre-vuoto e alto vuoto).
Fig. 3.5 Schema della camera a vuoto per lo sviluppo ed il test di rivelatori
Si riportano di seguito gli obiettivi che si è inteso perseguire per le attività di controllo
remoto:
- monitoraggio e regolazione automatica della pressione interna alla camera sulla base di
un valore di target prefissato;
- possibilità di intervento a distanza su uno qualunque degli azionamenti ;
Valvola
alto vuoto
Valvola rientro
Turbo
Valvola di
rientro
Penning
Pirani
Lettore di
pressione
Turbo
Rotativa
Valvola
pre-vuoto
8888

33
3.5 RETE PROFIBUS
Fig. 3.6 Rete ProFiBus
Il primo passo verso la realizzazione e l’integrazione dei controlli relativi alle applicazioni
introdotte è consistito nello sviluppo ed assemblaggio della rete ProFiBus secondo la
topologia di Fig. 3.6:dallo schema in figura si comprende come l’idea di principio preveda
l’uso di PLC ed unità slaves digitali per il controllo in locale, e di unità master di
supervisione per il controllo parametrico e l’acquisizione dati.
La struttura intrinsecamente modulare dell’architettura adottata consente l’espansione
progressiva del sistema con l’inserimento di nuovi moduli di comunicazione e controllo
senza dover modificare le componenti preesistenti.

34
3.5.1 Applicom Communication Server
Il nodo nevralgico del controllo remoto sulla rete ProFiBus realizzata è costituito dalla
stazione master di supervisione e controllo parametrico: per realizzarla si è fatto uso di una
scheda Applicom PC1500PFB (Fig. 3.7) per PC IBM compatibile:
la scheda in figura costituisce una stazione di tipo Master su ProFiBus DP/FMS; il transfer
rate consentito va da un minimo di 9600 bps fino ad un massimo di 500 kbps ; il mezzo
utilizzato è un doppino schermato, specifico per questo tipo di applicazione.
Il software a corredo con la scheda mette a disposizione diversi tools per la configurazione
della rete, insieme alla libreria a collegamento dinamico applicom.dll contenente
l’interfaccia applicativa verso i processi utente.
Fig. 3.7 Applicom Communication Server

35
3.5.1.1 Tool di configurazione PCCONF
Il sistema adoperato utilizza “PCCONF”, un adeguato tool per il setting dei parametri di
configurazione hardware, quali interrupts e indirizzo base di memoria, per l’immissione
dei parametri della rete e per la configurazione dei dispositivi , masters o slaves, presenti
sul bus.
Fig. 3.8 ProFiBus: parametri di rete
La Fig. 3.8 mostra la finestra per l’immissione dei parametri di rete: tra quelli che di più
influenzano le prestazioni della rete scorgiamo il Target Rotation Time già definito al

36
Capitolo II, ed il Gap Update Factor consistente nel numero di rotazioni complete del
token che la stazione Master Applicom deve attendere prima di aggiornare la sua GAP
List.
Per maggiori dettagli sugli altri parametri di rete e sulla configurazione dei dispositivi di
campo rimandiamo a [22].
3.5.1.2 Applicom User Interface
L’interfaccia tra l’architettura di rete della stazione Applicom ed i processi utente viene
fornita per mezzo di una libreria a collegamento dinamico (Applicom.dll): essa mette a
disposizione tutta una serie di primitive per l’apertura delle sessioni di comunicazione e
per l’interscambio di dati ciclico e acliclico tra la stazione Master Applicom e gli altri
dispositivi connessi al bus; in Fig. 3.9 possiamo vedere l’elenco delle funzioni di lettura e
scrittura verso dispositivi DP presenti sul bus; in Fig. 3.10 possiamo vedere le analoghe
funzioni per il ProFiBus FMS.
Fig. 3.9 Funzioni di comunicazione ProFiBus DP

37
Tra le funzioni speciali per la gestione delle comunicazioni ricordiamo la InitBus() e la
ExitBus() rispettivamente per l’apertura e la chiusura delle comunicazioni del task corrente.
Fig. 3.10 Funzioni di comunicazione ProFiBus FMS
3.5.2 ProFiBus DP Slaves
Fig. 3.11 16 bit I/O ProFiBus DP Module

38
Per la soluzione ai problemi di controllo remoto introdotti ai paragrafi 3.3 e 3.4 si è
optato verso l’utilizzo di due moduli slave ProFiBus DP WeidMuller 16 bit Input / 16 bit
Output (Fig. 3.11) aventi le seguenti caratteristiche:
- 16 bit Input (Q1..Q16), 16 bit Output (I17..I32), singolarmente indirizzabili;
- logica di livello I/O industriale 0  24 V;
- protezione in uscita contro i corto-circuiti accidentali;
- alimentazione 24Vcc;
- intervallo di indirizzi da 0  99 settabili manualmente (finestre circolari in figura);
Moduli di questo tipo sono stati utilizzati per lo scambio di dati da e verso dispositivi di
trasduzione e/o controllo.
3.5.3 ProFiBus FMS PLC
Fig. 3.12 Fotografia del PLC SAIA PCD2
Per risolvere il problema del controllo remoto del sistema di test dei rivelatori di
particelle si è fatto uso di un PLC SAIA PCD 2 (Fig. 3.12) corredato di modulo di
comunicazione ProFiBus FMS PCD7.F700 e di due moduli da 8 bit PCD2.E110 e

39
PCD2.A400 rispettivamente di input e di output ; riassumiamo di seguito le caratteristiche
principali del dispositivo:
- numero di ingressi/uscite: 8 moduli di ingresso/uscita in grado di gestire 64 ingressi/uscite
digitali oppure 8 moduli di ingresso/uscita analogici per un totale di 64 ingressi/uscite
analogiche;
- processore: 1 unità centrale (CPU) equipaggiata con microcontroller 68340;
- memoria utente: 32 KB di RAM base estendibile a 535 KB;
- flag: 8192 x 1 bit;
- registri dati: 4096 x 32 bit (non volatili);
- registri indice: 16 x 31 bit;
- temporizzatori/contatori: 1600;
- campo di conteggio/temporizzazione: 31 bit senza segno;
- base dei tempi: programmabile da 10ms a 10 s;
- formato dei dati: interi da –2-31 a +231-1; virgola mobile da –5.42101 x 10-20 a +9.22337 x 1018;
- interfacce di comunicazione: PGU/RS 232, RS422/485;
- collegamenti in rete: S-Bus, reti LAC, LAN1, MODBUS, PROFIBUS;
I dettagli relativi all’impiego ed alla programmazione del PLC verranno esposti di seguito.

CAPITOLO IV- CONTROLLO REMOTO DI POSIZIONE MEDIANTE PROFIBUS
40
CAPITOLO IV
CONTROLLO REMOTO DI POSIZIONE MEDIANTE
PROFIBUS
4.1 INTRODUZIONE
Fig. 4.1 Rete ProFiBus per il controllo remoto del sistema di posizionamento
Come già anticipato al paragrafo 3.3 del capitolo precedente, la prima applicazione della
rete ProFiBus riguarda il controllo remoto di un sistema elettromeccanico di posizionamento:
in Fig. 4.1 possiamo osservare una sezione della rete ProFibus relativa a questa applicazione,
si noti la stazione di supervisione contenente l’Applicom Master Board ed lo slave ProFiBus
dedicato alla scambio di dati tra la rete ed il sistema di controllo locale dei motori
dell’apparato di posizionamento; nel corso di questo capitolo verranno illustrate nel dettaglio

41
le varie fasi di sviluppo del controllo in questione con particolare attenzione verso l’utilizzo
della tecnologia ProFiBus.
Verranno analizzate le caratteristiche tecniche del sistema di movimentazione e del suo
apparato di controllo locale; si procederà verso la descrizione del progetto dell’interfaccia
elettronica d’accoppiamento tra un modulo slave ProFiBus di comunicazione ed il suddetto
sistema; di seguito saranno descritte le operazioni di accesso ai DSP controllers ed i relativi
cicli di lettura e scrittura; per concludere verrà analizzato il software di terminale remoto con
particolare riferimento alle procedure di programmazione dei controllers HCTL1100, gli
algoritmi di monitoraggio e supervisione, l’interfaccia grafica.

42
4.2 SISTEMA ELETTROMECCANICO DI POSIZIONAMENTO
Fig. 4.2 Fotografia del sistema di posizionamento
Considerando il sistema di posizionamento di Fig. 4.1 già descritto al paragrafo 3.3:
facciamo alcune considerazioni sui dati tecnici relativi agli accoppiamenti meccanici tra le
guide ed i relativi motori: dai dati delle tabelle 3.2 e 3.3 (Capitolo III) si deduce che per le
guide x ed y sono necessari 2 giri di vite per ottenere uno spostamento di 1 cm ossia, tenuto
conto del rapporto di riduzione di 43:1, 86 giri di alberino motore, equivalenti a 400x86 =
34400 impulsi motore per il medesimo spostamento; per il sistema di guida sull’asse z
abbiamo un passo di 0.25 mm/giro e quindi, tenendo conto del rapporto di riduzione di 14:1 e
dei 400 impulsi per giro motore, sono necessari 560 giri motore per 1 cm lineare, equivalenti
a 224000 impulsi motore.

43
4.3 SISTEMA DI CONTROLLO LOCALE
4.3.1 Struttura interna
La Fig. 4.2 mostra lo schema del sistema di controllo dei motori costituito da un backplane
sul quale sono inseriti tre DSP integrati HCTL1100 specializzati nel controllo di posizione e
velocità di motori in continua passo-passo e/o brushless; la logica di comunicazione del
backplane mette a disposizione 3 porte di comunicazione ad 8 bit per la selezione e la
programmazione dei controllers oltreché per la lettura degli stati dei finecorsa.
Il primo problema affrontato per il controllo in remoto dell’apparato è consistito nel ricavare
dalle uscite e dagli ingressi di uno slave le porte necessarie per la comunicazione col sistema
di controllo dei motori.
Porta Tipo Uso
A I/O Dati, Registri
B I Dati
C O Sincronismo
tab. 4.1
Fig. 4.3 Struttura interna del sistema di controllo

44
4.3.2 Interfaccia di conversione dei segnali
Gli slave Weidmuller adottati dispongono di 16 ingressi e 16 uscite digitali a 24 Vcc
indirizzabili singolarmente o a gruppi di 8 o 16 bit; è stato dunque necessario realizzare
un’opportuna scheda elettronica d’interfaccia per la conversione dei livelli dei segnali, da
24Vcc industriale a 5Vcc TTL e viceversa, e per l’opportuna combinazione di 8 bit d’ingresso
ed 8 bit d’uscita dello slave al fine di ottenere una porta bidirezionale.
Nelle figure 4.4.a e 4.4.b sono rappresentati gli schemi di principio per la conversione dei
livelli di segnale: nella prima, un opportuno partitore riduce di livello il segnale d’ingresso
mentre il buffer cmos 4050 provvede a disaccoppiare l’uscita dall’ingresso; nella seconda si fa
uso di un bus driver open-collector per elevare la tensione di ingresso ai valori d’uscita
necessari.
b)a)
Fig. 4.4

45
In Fig. 4.4 si può vedere il metodo con il quale si è ottenuta una porta bidirezionale ad 8 bit
accoppiando 8 ingressi e 8 uscite dello slave:
le uscite dello slave da Q1 a Q8 sono controllate da un buffer three state 74HC244; le uscite
three state sono elettricamente connesse sia agli ingressi I1..I8 dello slave che alle 8 linee
della porta A del controllore dei motori. Quando occorre effettuare una operazione di lettura,
le uscite del buffer vengono poste in stato di alta impedenza mentre, viceversa, quando si
vuole compiere una operazione di scrittura, le uscite del buffer vengono abilitate. Per ciò che
riguarda il segnale di controllo della direzione dei dati vedremo nei paragrafi seguenti come
esso venga ricavato da un bit della porta C.
Le tabelle 4.2 e 4.3 riportano rispettivamente le corrispondenze controllore slave e la
piedinatura del connettore d’interfaccia.
Fig. 4.4
Porta Controllore I/O Slave
A I17..I24 || Q1..Q8
B I25..I32
C Q9..Q16
tab. 4.2
Pin Descrizione Pin Descrizione
1 PortC6 15 PortB4
2 PortC4 16 PortB5
3 PortA0 17 PortB6
4 PortA1 18 PortB7
5 PortA2 19 PortC3
6 PortA3 20 PortC7
7 PortA4 21 PortC2
8 PortA5 22 PortC1
9 PortA6 23 PortC5
10 PortA7 24 PortC0
11 PortB0 25-30 NC
12 PortB1 31-32 GND
13 PortB2 33 +5Vcc
14 PortB3 34 +12Vcc
tab. 4.3

46
In Fig. 4.5 è rappresentato lo schematico della scheda d’interfaccia: a sinistra si notino le
porte dello slave e a destra il connettore per flat-cable del sistema di controllo dei motori.
La Fig. 4.6 mostra il contenuto del blocco PORTA.SCH: esso realizza la trasformazione degli
ingressi I17 - I24 (nella figura sono indicati con I0..I7) e delle uscite Q1 – Q8 (Q0..Q7 nella
figura) nella porta bidirezionale A0 – A7; si noti in essa la presenza del buffer three state per
l’accoppiamento uscite – ingressi e i sistemi di partitori resistivi per la conversione dei livelli
dei segnali.

47
Fig. 4.5 Schematico della scheda d’interfaccia

48
Fig. 4.7 Schematico conversione livelli Q8..Q15 ->C0..C7
Fig. 4.6 Schematico conversione Q0..Q7 e I0..I7 in A0..A7

49
Le figure 4.7 e 4.8 mostrano gli schematici per la trasformazione di Q9..Q16 (nella figura 4.7
sono indicati con Q8..Q15) in C0..C7 e di B0..B7 in I25..I32 (I8..I15 nella figura 4.8).
Fig. 3.8 Schematico conversione livelli I8..I15 ->B0..B7
Fig. 4.8 Schematico conversione livelli I8…I15 ->B0..B7

50
4.4 PROGRAMMAZIONE DEI CONTROLLERS HCTL 1100
L’accesso ai chip di controllo dei motori e ai loro registri viene effettuato attraverso uno
slave ProFiBus opportunamente configurato all’indirizzo di rete 2: ogni operazione verso i
controllori dei motori avviene quindi nella forma di una lettura o scrittura verso lo slave.
Nei prossimi paragrafi verranno analizzate le funzioni di comunicazione ProFiBus DP per il
trasferimento di dati tra la stazione di supervisione Applicom e lo slave sopra citato. Per
concludere saranno analizzate le sequenze di chiamate a queste funzioni che realizzano i cicli
di accesso ai registri dei controllers; per proseguire vedremo le procedure di posizionamento e
di inizializzazione del sistema.
4.4.1 Accesso allo slave
L’interfaccia processi utente del ProFiBus DP comprende diversi modi di funzionamento:
tra questi vi è il wait-mode consistente nel fatto che le funzioni di comunicazione che lo
implementano non restituiscono il controllo al processo chiamante fintantoché lo scambio di
dati e di acks non si è concluso.
Per la comunicazione tra la stazione di supervisione e lo slave di controllo sono state utilizzate
due funzioni wait-mode: writepackqbyte e readpackibyte ; in Fig. 4.12 si riassumono le due
funzioni assieme ai loro parametri.

51
void POut(char port, char val)
{
short int status, nchan = 0, nequip = 1, nbyte = 1;
long int byte;
switch (port)
{
case PORT_A: { byte = 0; break; }
case PORT_C: { byte = 1; break; }
default : return;
}
writepackqbyte(&nchan,&nequip,&nbyte,&byte,&val,&status);
ProfiTst(status);
}
short status; /*** valore restituito dopo la chiamata: se 0 -> ok ***/
short nchan = 0; /*** canale applicom ***/
short nequip = 1; /*** riferimento allo slave ***/
short nbyte = 1; /*** numero di bytes scambiati ***/
long byte; /*** riferimento del byte; 0 = basso, 1 = alto ***/
writepackqbyte(&nchan,&nequip,&nbyte,&byte,&val,&status);
readpackqbyte(&nchan,&nequip,&nbyte,&byte,&val,&status);
Fig. 4.12
Fig. 4.13 Procedura di scrittura per le porte A e C
char PIn(char port)
{
short int status, nchan = 0, nequip = 1, nbyte = 1;
long int byte;
char val;
switch (port)
{
case PORT_A: { byte = 0; break; }
case PORT_B: { byte = 1; break; }
default : return 0;
}
readpackibyte(&nchan,&nequip,&nbyte,&byte,&val,&status);
ProfiTst(status);
}
Fig. 4.14 Procedura di lettura per le porte A e C

52
Le figure 4.14 e 4.15 mostrano le procedure base per l’accesso, in scrittura e lettura, alle
porte del sistema di controllo dei motori: si noti che l’operazione di scrittura riguarda solo le
porte A e C, in quanto B è di sola lettura, mentre l’operazione di lettura riguarda A e B; si
osservi inoltre che la selezione tra le porte avviene variando il valore del parametro byte,
quest’ultimo condizionato dal parametro di procedura port.
Le due procedure mostrate costituiscono i mattoni base per la realizzazione dei cicli di
accesso ai registri dei controllers HCTL 1100.
4.4.2 Accesso ai registri dei controllers HCTL 1100
L’accesso ai registri dei controllers HCTL1100 avviene con la generazione di una
sequenza opportuna di segnali di controllo e dati sulle tre porte A, B e C.
A tal proposito, la tabella 4.4 descrive i
segnali di controllo associati ai bits della
porta C; essa servirà per la comprensione
delle procedure che seguiranno e che
realizzano i cicli di accesso ai registri
degli HCTL controllers.
Bit porta C Segnale Attivo Descrizione
0 M0 Alto Motore 0
1 M1 Alto Motore 1
2 M2 Alto Motore 2
3 CS Alto Chip Select
4 RST Alto Reset
5 OE Basso Output Enable
6 ALE Basso Address Latch Enable
7 WR Basso Write Enable
tab. 4.4
void scrivi(char reg, char mot, char val)
{
POut (PORT_C, mot + 0xe0);
POut (PORT_A, reg);
POut (PORT_C, mot + 0xa0);
POut (PORT_A, val);
POut (PORT_C, mot + 0x68);
POut (PORT_C, mot + 0x60);
}
char leggi(char reg, char mot)
{
char val;
POut (PORT_A, reg);
POut (PORT_C, mot + 0xa0);
POut (PORT_C, mot + 0xc8);
val = PIn (PORT_A);
POut (PORT_C, mot + 0xe0); return val;
}
Fig. 4.15 Procedure di scrittura / lettura registri HCTL1100

53
La Fig. 4.15 mostra le procedure scrivi e leggi : esse hanno come parametri il numero del
motore (mot = 1,2 o 3) e l’indirizzo del registro al quale si vuole accedere; la procedura scrivi
richiede inoltre il dato da copiare sul registro desiderato.
Procederemo ora alla descrizione dei passi che compongono queste due ultime procedure; si
faccia riferimento alla tabella 4.4 per la comprensione del tipo di segnali di controllo generati
sulla porta C.
La procedura scrivi si compone dei seguenti passi:
 selezione dell’HCTL: viene effettuata in ogni chiamata a POut ponendo in mot il valore
corrispondente al controller desiderato (1, 2 o 3); il valore aggiunto
0xE0 esadecimale nella prima e nell’ultima chiamata rende inattivi
gli altri segnali di controllo della porta C; si osservi che mot sta per
motore in quanto ad ogni motore è assegnato un controller HCTL;
 selezione del registro: il registro desiderato viene selezionato ponendone l’indirizzo sulla
porta A (seconda chiamata a POut) e generando un impulso attivo
basso sul segnale di controllo ALE (bit 6 di C) mediante due
successive chiamate a POut (terza e quarta chiamata);
 scrittura del dato: viene effettuata ponendo il dato sulla porta A e, di seguito,
attivando e disattivando i segnali CS e WR (ultime quattro
chiamate a POut).

54
Vediamo di seguito i passi essenziali della procedura leggi:
 selezione dell’HCTL: anche qui, la selezione del chip di controllo avviene specificandone
l’indirizzo (1, 2 o 3) nel parametro mot in ogni chiamata a POut;
 selezione del registro: già descritta nella procedura scrivi;
 lettura del dato: viene fatta generando un impulso attivo basso di CS e OE,
mantenendo alto WR, e prelevando il dato dalla porta A (ultime tre
righe della procedura leggi).
4.4.3 INIZIALIZZAZIONE DEGLI HCTL 1100
L’inizializzazione di ogni controller HCTL1100 avviene in due passi: reset del controller e
caricamento dei registri con i valori di controllo (velocità max, poli, zeri ecc.); nei prossimi
due paragrafi saranno analizzate nel dettaglio queste due operazioni.
4.4.3.1Reset
Si osservi la Fig. 4.16: il reset di ogni HCTL 1100 avviene generando un impulso attivo
alto del segnale di controllo RST (RST: bit 4 della porta C) dopo aver opportunamente
selezionato il controller desiderato mediante i tre bit meno significativi di C (parametro mot
= mot1,mot2,mot3); ciò viene effettuato con le tre chiamate in figura alla procedura Pout
Fig. 4.16 Procedura di Reset
void RstHctl(char mot)
{
POut (PORT_C, mot);
POut (PORT_C, mot + 16);
POut (PORT_C, mot);
}

55
4.4.3.1Caricamento dei registri
La procedura di caricamento consiste in una serie di chiamate alla procedura scrivi per il
settaggio dei registri che regolano il comportamento di ogni chip di controllo; tralasciando il
commento al codice corrispondente, poniamo attenzione sui registri coinvolti e sulla loro
funzione:
 dinamica del controllo: è regolata dai primi tre registri in tab. 4.5, i quali fissano
rispettivamente lo zero, il polo ed il guadagno della rete di
compensazione che ogni controller inserisce nel proprio loop
di retroazione; i valori prescelti per tali registri sono stati
ottenuti empiricamente, sulla base di stime e prove di
laboratorio reiterate;
 settaggi di posizione: riguardano i registri da &H29 a &H2A; essi contengono la
posizione alla quale il motore controllato si porterebbe se si
desse all’HCTL il comando di start; essi vengono
inizializzati a zero;
 accelerazione e velocità: sono gli ultimi tre registri in tabella; i primi due determinano
l’accelerazione allo start e la decelerazione in fase di
raggiungimento della posizione finale; l’ultimo fissa invece la
velocità massima intermedia; le discrepanze tra i valori di
questi registri per i tre chip di controllo sono giustificate dalla
necessità di dover compensare le differenti caratteristiche dei
tre motori, dei loro riduttori, e dei passi delle loro guide.
Registro Descrizione HCTL1 HCTL2 HCTL3
&H20 Filter zero 120 120 120
&H21 Filter pole 40 40 40
&H22 Gain 195 195 195
&H29 Final Position (LSB) 0 0 0
&H2A Final Position 0 0 0
&H2B Final Position (MSB) 0 0 0
&H26 Acceleration (LSB) 0 0 0
&H27 Acceleration (MSB) 5 5 10
&H28 Maximum Velocity 25 30 30
tab. 4.5

56
4.5 PROCEDURE DI SUPPORTO AL CONTROLLO
Inizializzati i chip di controllo dei motori, si deve procedere alla calibrazione del sistema di
posizionamento; prima di illustrare quest’ultima fase descriviamo di seguito tre procedure
essenziali: una riguarda l’attivazione del controllo di posizione e velocità per uno dei tre chip
di controllo, un’altra riguarda la lettura della posizione corrente e la terza invece riguarda la
lettura dello stato dei finecorsa.
4.5.1 Lettura dello stato dei finecorsa
La lettura dello stato dei finecorsa relativi ad una direzione di spostamento ha il fine di
verificare il raggiungimento o meno di uno dei due limiti di estensione della guida: tale lettura
si effettua ponendo l’indirizzo del motore sulla porta C ed eseguendo un ciclo di attivazione
del segnale CS , durante il quale si legge l’informazione desiderata dalla porta B.
I bits 0 e 1 del dato letto dalla porta B riportano rispettivamente gli stati dei finecorsa
appartenenti alla guida selezionata con mot : 0 equivale a finecorsa raggiunto, 1 il contrario.
BYTE FinecorsaTst(char mot)
{
BYTE finec;
POut(PORT_C, mot + 0xe8);
finec = PIn(PORT_B) & 3;
return finec;
}
Fig. 4.17 Test Finecorsa

57
4.5.2 Controllo di posizione e velocità
L’HCTL1100 prevede diversi modi di funzionamento:
1. Position Control;
2. Proportional Velocity Control;
3. Integral Velocity Control;
4. Trapezoidal Profile Control.
Tralasciando i dettagli relativi ai primi tre modi di controllo, verrà analizzato il Controllo a
Profilo Trapezoidale, utilizzato nell’applicazione.
4.5.2.1 Controllo a Profilo Trapezoidale
E’ uno dei modi di controllo di posizione e di velocità implementati dall’HCTL 1100, con
la caratteristica di imporre alla velocità un profilo di variazione triangolare o trapezoidale;
una volta impostata la posizione finale, la velocità massima e l’accelerazione nei rispettivi
registri, basta attivare questo modo di controllo perché l’HCTL 1100 calcoli automaticamente
la progressione della velocità ed il relativo profilo; se la velocità massima viene raggiunta
prima di metà della distanza da percorrere, il profilo sarà trapezoidale, altrimenti sarà
triangolare.
Max. Velocity
AccelAccel
Velocity
Trapezoidal
Max. Velocity
AccelAccel
Velocity
Triangular
Fig. 4.18 Controllo mediante profilo trapezoidale
a) b)

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