INTERFACCIA GENERAL PURPOSE TRA AZIONAMENTO
E BUS DI CAMPO CON PROTOCOLLO PROFIBUS DP

PROGETTO DELL’HARDWARE E SVILUPPO DEL SOFTWARE

Il lavoro di tesi riguarda i bus di campo industriali Profibus: ne vengono analizzati inizialmente gli aspetti teorici relativi e descritte le caratteristiche principali. Successivamente viene descritto il progetto di un sistema di controllo di un azionamento elettrico (sistema atto a produrre un moto controllato in una macchina elettrica) attraverso una rete Profibus semplice: questa tesi riguarda nello specifico la progettazione una scheda di interfaccia Profibus per un microcontrollore e lo sviluppo del software driver di gestione input/output dei dati attraverso la rete.

CAPITOLO 1: Introduzione e casi applicativi

Viene introdotto l’argomento bus di campo nella gerarchia dell’automazione: si affronta a livello specifico il Profibus dal punto di vista della storia, del processo di normalizzazione, fino alla normativa europea EN50170.
Vengono poi trattati quattro casi aziendali di utilizzo di Profibus, in maniera sommaria a scopo informativo generico, per far capire al lettore che non ha avuto esperienza con i bus di campo la portata dei vantaggi e delle possibilità offerte dalle reti industriali Profibus.
Tre casi riguardano l’automazione nel processo produttivo e sono rispettivamente lo stabilimento Opel a Bochum (Germania) per la produzione ripetitiva di automobili, lo stabilimento Wholemberh Buchbindesysteme (Germania) per la produzione ripetitiva come rilegatura di libri e un caso di produzione continua, dato dall’acciaieria Guang Zhou Iron & Steel Company (Cina).
Il quarto caso riguarda l’automazione del prodotto e descrive l’automazione di un edificio di notevole entità, ovvero la Bibliotéque de France. (Francia).

CAPITOLO 2: Modello ISO/OSI

Viene presentato il modello ISO/OSI come riferimento generico per sistemi di comunicazione automatici.

CAPITOLO 3: Profibus

Viene affrontatato il Profibus a livello tecnico attraverso la presentazione delle varianti di sistema previste dalla normativa EN50170, e la sua descrizione secondo il modello ISO/OSI, analizzando in dettaglio i livelli che lo compongono e le modalità specifiche di implementazione.

CAPITOLO 4: Profibus DP

Sono esposti degli approfondimenti specifici basilari per la parte successiva della tesi relativi al Profibus DP, membro della famiglia Profibus.

CAPITOLO 5: Descrizione progetto sperimentale

Viene presentata la descrizione dettagliata del sistema che si intende realizzare e della parte specifica progettata e sviluppata da questa tesi.
In particolare viene richiamato il concetto di azionamento e viene descritta la rete Profibus formata da un nodo master e da un nodo slave attraverso la quale si intende realizzare il controllo di un azionamento, a livello di progetto generale.
In questo capitolo viene definito l’obiettivo sperimentale specifico della tesi: progettazione hardware e sviluppo del software di un’interfaccia Profibus DP per il nodo slave.
Nel seguito del capitolo viene presentato in dettaglio il sistema a microcontrollore che dovrà realizzare il nodo slave, attraverso esempi di utilizzo sia con programmazione Assembler che con linguaggio C. Il sistema utilizzato è la scheda di valutazione EV80C196KC, che contiene il microcontrollore Intel 80C196KC, impiegato di frequente nel campo degli azionamenti industriali.
Vengono quindi analizzati i vari ASIC (Application Specific Integrated Circuit) presenti sul mercato relativi al Profibus prodotti da Siemes, tra i quali si evidenzia l’SPC3, ovvero Siemes Profibus Controller di tipo 3, che rappresenta il componente fondamentale dell’interfaccia del progetto: per l’SPC3 viene riportata una descrizione approfondita a livello di schema a blocchi e di funzionamento.

CAPITOLO 6: Progetto Hardware dell'interfaccia Profibus DP - EV80C196KC

Viene esposta la progettazione hardware dell’interfaccia.
Lo schema elettrico concettualmente viene diviso in due parti: la progettazione del collegamento dell’SPC3 al bus di espansione del sistema a microcontrollore EV80C196KC e la progettazione del collegamento analogico per interfacciare il Profibus.
La prima parte comprende l’analisi dei segnali rispettivamente del bus di espansione della scheda EV80C196KC, e dell’SPC3 per giungere al corretto collegamento di Bus Dati, Address Bus e segnali di controllo (ad esempio i segnali di reset e di interrupt).
Viene descritta nel dettaglio la modalità di indirizzamento dell’SPC3 che viene mappata come una dual port RAM ad un indirizzo di memoria ben preciso. Per la scelta dell’indirizzo è riportata un’analisi comparativa della compatibilià delle tempificazioni dei due sistemi.
La seconda parte riguarda l’interfacciamento dell’SPC3 con il Profibus che è un bus di tipo differenziale: viene implementata un’interfaccia formata da fotoaccopiatori per disaccopiare la rete e da un dispositivo che adatti i livelli logici dell’SPC3 con i livelli differenziali del bus.
L’isolamento non è richiesto dalla normativa, ma è sicuramente un vantaggio in quanto non vengono trasmessi gli eventuali disturbi provenienti dal nodo al Profibus.
L’interfaccia utilizza i segnali dell’SPC3 RTS (Request to send), TXD (Dato da trasmettere) e RXD (Dato in ricezione).
Nella parte finale del capitolo sesto vengono riportate le note per il costruttore del circuito stampato e i disegni del circuito stampato finito che è stato realizzato.

CAPITOLO 7: Sviluppo Software dell'interfaccia Profibus DP - EV80C196KC

Viene descritto il software di gestione del nodo slave con l’interfaccia Profibus, per lo scambi di dati con il nodo master.
Viene implementato un driver di gestione per il microcontrollore per il puro scambio di dati tra il nodo master e il nodo slave attraverso il Profibus.
Il software di gestione è basato su un pacchetto denominato DPS2 fornito da Siemens per programmare l’SPC3 attraverso delle macro ad altro livello senza scendere nei dettagli dell’indirizzamento dei registri interni dell’ASIC.
La prima parte del capitolo descrive il DPS2 e le macro messe a disposizione, nella seconda vengono presentati i listati del programma principale e di quello relativo alle interruzioni, commentati e descritti. Questi sono i listati che hanno subito la maggior parte di personalizzazioni e modifiche rispetto ai file originali dimostrativi presenti nel pacchetto. Viene inoltre presentato il diagramma di flusso del software driver.
Nella parte finale si riportano le modalità di compilazione di tutti i moduli e del loro link per ottenere il driver definitivo e si accenna ad eventuali sviluppi futuri riguardanti la parte di software relativa all’interfacciamento con l’azionamento.