L'encoder è un trasduttore di spostamento e di velocità che trasforma un movimento meccanico angolare o lineare in una serie di impulsi elettrici digitali. 

Questi impulsi elettrici possono essere utilizzati per controllare gli spostamenti meccanici che li hanno generati e la corrispondente velocità di spostamento, agendo sui dispositivi di attuazione, di qualunque tipo essi siano.

L’encoder è composto da:

• Interfaccia meccanica
• Disco (o riga ottica, o attuatore con magnete)
• Rilevatori optoelettronici o sensori magnetici
• Interfaccia elettronica

Negli encoder vengono utilizzate diverse tecnologie per il rilevamento del movimento:

• Scansione fotoelettrica o ottica (per prodotti rotativi o lineari)
• Variazione del campo magnetico (per prodotti rotativi o lineari)
• Potenziometrica (per prodotti rotativi o lineari)
• Magnetostrittiva (per prodotti lineari)
• Sistema di recupero (Energy Harvesting) dell'energia (per prodotti rotativi)

Sezione encoder ottico	Sezione encoder magnetico

 Le applicazioni principali di questi trasduttori sono nelle macchine utensili o di lavorazione dei materiali, nei robot, nei sistemi di retroazione su motori, negli apparecchi di misura e di controllo. 

L’encoder di tipo incrementale, è così definito in quanto segnala gli incrementi (variazioni) rispetto ad una posizione assunta come riferimento, indipendentemente dal verso di rotazione. 
L’encoder incrementale è adatto a rilevare rotazioni, velocità ed accelerazioni basandosi sul conteggio degli impulsi inviati dal sensore all'elettronica in uscita, ma richiede lo zero macchina ad ogni nuovo avvio.

L’encoder incrementale può avere una codifica a 3 canali (A, B, Z) o con fasi di commutazione integrate (effetto Hall).

Incrementale a 3 canali

L’encoder incrementale fornisce normalmente due forme d’onda squadrate e sfasate tra loro di 90° elettrici, definite come canale A e canale B. Con la lettura del solo canale A si riesce a calcolare l’informazione relativa alla velocità di rotazione (numero di impulsi nell’unità di tempo), mentre con la lettura anche del segnale B si riesce a rilevare il senso di rotazione in base alla sequenza degli stati prodotti dai due segnali. È disponibile anche un ulteriore segnale chiamato canale Z o zero, che fornisce una posizione assoluta di riferimento dell’albero encoder.

Con fasi di commutazione integrate (fasi ad effetto Hall)

Esistono encoder che integrano altri segnali elettrici disponibili all’uscita detti encoder incrementali con segnali di commutazione integrati, i quali solitamente vengono utilizzati come retroazione a bordo dei motori. Questi segnali supplementari eseguono la funzione di simulazione delle fasi di Hall generalmente presenti nei motori di tipo brushless, realizzati solitamente con sensori magnetici. Negli encoder Eltra tali segnali di commutazione vengono generati otticamente e si presentano sotto forma di 3 onde quadre sfasate tra loro di 120° elettrici. I segnali servono al convertitore che pilota il motore per generare con la corretta fase le tensioni necessarie per porlo in rotazione. Questi impulsi possono essere ripetuti più volte all’interno di un giro meccanico dell’encoder perché dipendono direttamente dal numero di poli del motore collegato.

Per maggiori informazioni, è possibile visualizzare il PDF online.

L’encoder di tipo assoluto fornisce un valore numerico codificato in maniera univoca per ogni posizione meccanica dell’albero, memorizzando il valore della posizione corrente ed evitando così la perdita di informazioni in caso di riavvio del macchinario o di interruzione dell’alimentazione.

L’encoder assoluto può essere: 

• monogiro
• multigiro

Encoder assoluto monogiro

L'encoder assoluto monogiro permette di acquisire una codifica precisa sulla posizione angolare dell’albero a cui è accoppiato anche in caso di mancata alimentazione. Quindi ogni singola posizione grado viene convertita in un codice di precisione proporzionale al numero di bits, in formato Gray o binario.

Encoder assoluto multigiro

L'encoder assoluto multigiro è uno strumento avanzato che permette di estendere in maniera significativa il campo di azione degli encoder. Oltre alla lettura angolare del singolo giro, viene mantenuto anche il conteggio del n° di giri. 

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I modelli di encoder più utilizzati si basano sulla tecnologia ottica (o fotoelettrica) per la rilevazione dei segnali; questa si distingue in due modalità di scansione principali: trasmissiva e riflessiva.

Scansione ottica trasmissiva

Nell'encoder ottico di tipo trasmissivo il sistema di lettura si basa sulla rotazione di un disco graduato con un reticolo radiale formato da linee opache alternate a spazi trasparenti; questo viene illuminato da una sorgente a raggi infrarossi, disposta perpendicolarmente rispetto al sensore. Il disco proietta così la sua immagine sulla superficie di vari ricevitori, opportunamente mascherati da un altro reticolo (collimatore) avente lo stesso passo del precedente. I ricevitori hanno il compito di rilevare le variazioni di luce che avvengono con lo spostamento del disco, convertendole in corrispondenti impulsi elettrici. In un encoder lineare il principio di funzionamento è analogo ma il movimento avviene su un supporto di lettura lineare.

Encoder ottico incrementale	Encoder ottico assoluto

Scansione ottica riflessiva

Il sistema ottico riflessivo si basa anch'esso sulla scansione fotoelettrica di un disco graduato, ma in questo caso la sorgente di luce ed il ricevitore si trovano sullo stesso lato del dispositivo: la sorgente luminosa illumina un disco graduato formato da linee opache alternate a linee riflettenti, dove la luce si riflette e viene letta dal sensore (ricevitore), il quale convertirà le variazioni in corrispondenti impulsi, come nel sistema trasmissivo. Questa tipologia di lettura consente di ridurre le dimensioni del dispositivo garantendo comunque le stesse prestazioni; rappresenta quindi una soluzione ideale per gli ambiti applicativi che richiedono encoder miniaturizzati ed elevata risoluzione.

Gli encoder magnetici utilizzano un sistema di rilevazione dei segnali basato sulla variazione del flusso magnetico generato da un magnete (una o più coppie polari) posto in rotazione di fronte al sensore generalmente fissato all’albero dell’encoder. La variazione del campo magnetico viene campionata dal sensore e trasformata in un impulso elettrico che definisce la posizione; la tipologia di lettura può essere assiale o radiale.

Il vantaggio del sistema magnetico è principalmente l’assenza di contatto nella rilevazione, fattore che previene l’usura del dispositivo e risulta quindi vantaggioso dal punto economico, in quanto non richiede manutenzione ed ha una durabilità potenzialmente infinita.

Gli encoder magnetici sono particolarmente adatti all’applicazione in ambienti gravosi che richiedono un’elevata robustezza, velocità e resistenza termica, garantendo al tempo stesso un’affidabilità ottimale nella generazione dei segnali.

Sul lato multigiro, il conteggio del numero dei giro può avvenire tramite la tecnologia di recupero dell'energia (energy-harvesting). Quando l'albero ruota, il magnete montato sull'albero si muove in tandem. Il flusso magnetico generato dal magnete viene "raccolto" dal sistema di recupero dell'energia (bobina) e genera energia come risultato. La bellezza del sistema di recupero di energia è che la stessa quantità di energia viene generata indipendentemente dalla velocità di rotazione. L'energia generata è sufficiente per alimentare il circuito controllo del numero dei giri. Pertanto, non si verificano errori di calcolo anche in assenza di alimentazione esterna. Può sostituire la tradizionale tecnologia ad ingranaggi dovuta all'assenza di usura (nessuna tecnologia di contatto).

 Sezione di un prodotto dotato di tecnologia Energy Harvesting

I trasduttori di tipo lineare hanno la funzione di rilevare la posizione e la velocità dei movimenti meccanici in linea retta.

Anche i trasduttori lineari si differenziano a seconda della tecnica di rilevazione degli spostamenti e possono essere di diversi tipi.

Trasduttore lineare incrementale

Il principio di funzionamento è analogo a quello dell’encoder rotativo incrementale, ma in questo caso il disco è sostituito da una riga graduata sulla quale si alternano zone opache e zone trasparenti. Questi trasduttori vengono impiegati in ambito industriale sulle macchine operatrici automatiche, in abbinamento a sistemi di conteggio, visualizzazione e controllo, per realizzare posizionamenti a programma, avanzamenti a passi predeterminati o più semplicemente visualizzare misure di lunghezza o spessore.

Trasduttore lineare potenziometrico

Questo tipo di trasduttore lineare è costituito da un filo o da uno strato metallico, avvolto su un supporto isolante, e da un contatto mobile in grado di spostarsi lungo il conduttore. Il principio di funzionamento è basato sulla variazione di resistenza in un circuito elettrico determinata dallo spostamento dell’oggetto di cui si vuole misurare la posizione. I potenziometri sono particolarmente adatti ad impieghi in macchine per termoplastici, legno, marmo, lamiera ed in tutte le applicazioni di misure assolute di posizione o di spostamento.

Trasduttore lineare magnetostrittivo

I trasduttori magnetostrittivi utilizzano il principio della magnetostrizione per cui certi materiali si espandono e contraggono quando messi in un campo magnetico alternato. La peculiarità principale di questo principio è l’assenza di contatto elettrico sul cursore, fattore che elimina i problemi di usura o deterioramento, garantendo al tempo stesso elevate prestazioni in velocità e precisione.

Il disco dell’encoder determina il codice di trasmissione degli impulsi ed è formato da un supporto (il materiale può essere di tipo plastico, vetro o metallico) sul quale vengono impresse o ricavate strisce (o tacche) chiare (trasparenti), alternate a strisce scure (opache).

Negli encoder incrementali le tacche trasparenti si trovano su un’unica corona circolare alternate alle tacche opache; il numero di queste tacche definisce il numero di impulsi, determinando la risoluzione del dispositivo.
Nel sistema incrementale, non esistendo una posizione di riferimento assoluta del segnale di misura, è spesso utilizzata una tacca supplementare detta “impulso di zero” per definire la posizione iniziale in modo univoco.

Disco incrementale

Negli encoder assoluti le tacche trasparenti ed opache sono disposte su corone circolari e si alternano in modo da codificare la posizione in una configurazione binaria. 
Per evitare errori di lettura, viene utilizzata una variante del codice binario, il codice Gray, il quale ha la particolarità di variare di un’unica cifra binaria da un numero al suo successivo, assicurando quindi un’elevata affidabilità nella generazione e decodificazione del codice.

Disco binario a 2 bit	Disco Gray a 2 bit

L’interfaccia meccanica è l’insieme di componenti che consentono l’accoppiamento dell’encoder alla macchina o dispositivo di applicazione, ovvero:

1. Un asse, collegato all’albero della macchina in rotazione, sviluppato a seconda della tipologia di accoppiamento: 
   albero sporgente,  albero cieco e passante;
2. Una flangia, che collega e adatta l’encoder al supporto dell’encoder stesso;
3. L’involucro (o corpo) dell’encoder, che contiene e protegge il disco e i componenti elettronici.

Possono utilizzarsi inoltre dei giunti elastici per la connessione tra albero motore ed encoder.

Albero sporgente	Albero cieco	Albero passante

L’interfaccia elettronica è l’insieme di componenti in entrata ed uscita che consentono sia l’alimentazione dell’encoder che la trasmissione dei segnali elettrici.

Negli encoder di tipo incrementale, la trasmissione dei segnali in uscita avviene attraverso uno o più canali e può essere di diversi tipi:

• NPN e NPN open collector
• PNP e PNP open collector 
• Push-Pull
• Line driver

Negli encoder di tipo assoluto la trasmissione dei segnali in uscita può essere analogica (corrente/tensione) o digitale parallela, digitale seriale (SSI o BiSS), o con bus di campo (Eltra utilizza il protocollo PROFIBUS DP o PROFINET).

NPN e NPN open collector

È composta da un transistor di tipo NPN e da un resistore in configurazione pull-up, che fissa la tensione di uscita a quella di alimentazione quando il transistor è in posizione di riposo. Presenta bassi livelli di saturazione verso lo 0 Vdc e praticamente nulli verso il positivo. Il comportamento è influenzato in modo proporzionale dall’aumento della lunghezza del cavo, dalla frequenza degli impulsi da trasmettere e dall’aumento del carico, pertanto l’applicazione ideale dovrebbe tenere conto di queste considerazioni.

La variante open collector differisce per la mancanza del resistore di pull-up, liberando in tal modo il collettore del transistor dal vincolo della tensione d’alimentazione dell’encoder e permettendo così di ottenere segnali di uscita con tensione diversa.

Schema NPN	Schema NPN open collector

PNP e PNP open collector

Valgono le medesime considerazioni effettuate per l’elettronica NPN. Le differenze sostanziali risiedono nel transistor, che è di tipo PNP; il resistore se presente, è di tipo pull-down collegato quindi tra l’uscita e 0V.

Schema PNP	Schema PNP open collector

Push-pull

È impiegata per incrementare le prestazioni rispetto alle elettroniche NPN e PNP. Infatti, le limitazioni maggiori delle elettroniche NPN o PNP, sono imputabili all’impiego del resistore che presenta un’impedenza molto più alta di un transistor in chiusura. Per ovviare a questi inconvenienti nell’elettronica di tipo Push-Pull, si inserisce un altro transistor di tipo complementare, in modo che l’uscita sia a bassa impedenza, sia per commutazioni verso il positivo, sia per quelle verso massa. Questa soluzione incrementa le prestazioni in frequenza, favorendo così lunghi collegamenti e l’ottimale trasmissione dei dati, anche a velocità elevate. I livelli di saturazione dei segnali sono contenuti, ma talvolta più alti rispetto a quelli delle logiche precedenti. L’elettronica Push-Pull è in ogni modo applicabile indifferentemente anche a ricevitori per elettroniche di tipo NPN o PNP ed è compatibile con logica TTL (con alimentazione 5 Vdc).

Schema Push-Pull

Line-driver

Essa è usata quando l’ambiente operativo è particolarmente soggetto a disturbi di natura elettrica, o in presenza di distanze tra encoder e sistema di ricezione. La trasmissione e la ricezione dei dati avvengono su due canali complementari, in tale modo si limitano i disturbi, indotti da cavi o apparecchiature adiacenti.
La trasmissione e la ricezione in Line-Driver avvengono in modo “differenziale”, prodotte cioè dalla differenza delle tensioni presenti sui canali complementari, non sensibili a disturbi di modo comune. Questo tipo di trasmissione è utilizzato in sistemi a 5 Vdc ed è conosciuto anche come RS422 compatibile; è disponibile con alimentazioni fino a 24 Vdc dove le condizioni di utilizzo gravose lo richiedono (lunghi cablaggi, disturbi elevati, etc.).

Schema Line-Driver

La protezione attiva

Per proteggere l’encoder da eventuali cortocircuiti, viene impiegato un driver integrato con protezione attiva dello stadio d’uscita, che segue in ogni istante la temperatura raggiunta dall’elemento da proteggere. Questa caratteristica permette alla protezione di essere molto efficace e veloce nell’intervenire su cortocircuiti ripetitivi e permanenti ed è indicata quindi ad un uso gravoso. Essa è disponibile per elettroniche Line-Driver e Push-Pull.

Schema protezione da cortocircuiti

Per maggiori informazioni, è possibile visualizzare il PDF on-line.

L'interfaccia analogica fornisce la posizione tramite segnali di corrente o tensione. Può essere usato come sostituzione del potenziometro.
L'intervallo di tensione va da 0 ... 5 V a 0 ... 10 V e l'intervallo di corrente (in configurazione sink o source) va da 0 ... 20 mA a 4 ... 20 mA secondo le interfacce standard industriali.

Uscita in tensione

Uscita in corrente

Gli encoder assoluti monogiro e multigiro ad uscita parallela sono la forma tradizionale di encoder. Essi infatti forniscono in uscita "bit per bit", in formato Gray e binario, i dati relativi alla posizione, in base alla risoluzione adottata dal dispositivo.

Questa forma di trasmissione prevede un filo per ogni bit e all’aumentare della risoluzione del dispositivo si avrà una maggiore complessità di cablaggio. Per questo motivo si sono introdotte anche delle forme di trasmissione del dato in modalità seriale (SSI o BiSS) o mediante bus di campo (PROFIBUS o PROFINET).

Schema dato di uscita in formato binario	Schema dato di uscita in formato Gray

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Gli encoder assoluti sono così definiti in quanto mantengono il valore assoluto della posizione anche dopo interruzioni o assenza di corrente. Per questa ragione è necessario che i dati relativi alla posizione siano sempre disponibili. A tal fine vengono utilizzati dei codici di tipo binario, determinati dalla sequenza di tacche trasparenti e opache del disco, disposte trasversalmente o longitudinalmente rispetto alla direzione del movimento.

Codice binario

Il codice binario puro (o naturale) presenta l’inconveniente di avere più bit che cambiano di stato tra due posizioni. A causa di tolleranze meccaniche e disturbi, è possibile che ci si trovi con un passaggio di posizione in cui i segnali di commutazione non agiscono tutti nello steso momento, originando situazioni intermedie che possono produrre errori nel conteggio della posizione.
Per evitare questo incoveniente e, quindi, per fornire in uscita un codice privo di errori, si utilizza un segnale di sincronismo delle uscite (STROBE).

Codice Gray

Nel codice Gray il passaggio da un numero al successivo avviene sempre variando un’unica cifra binaria; le tracce di codice vengono lette trasversalmente rispetto alla direzione di movimento, evitando così errori di codifica causati dalla variazione di più bit tra settori contigui.

La continua evoluzione del mondo dell’automazione ha portato ad una continua e crescente richiesta di precisione. Per soddisfare queste esigenze sono stati realizzati degli encoder assoluti con risoluzioni elevate, i quali però, hanno inconveniente di necessitare di un numero di cablaggi crescente con il numero di bit.

Per cercare di ridurre i costi di installazione e semplificare i cablaggi è stata realizzata l’interfaccia seriale sincrona (SSI) che esegue la trasmissione dei dati da un dispositivo periferico ad un’unità centrale utilizzando solamente due segnali (CLOCK e DATO) indipendentemente dal numero di bit dell’encoder.

Il valore della posizione viene rilevato dal sistema di lettura encoder ed inviato continuamente in un convertitore parallelo/seriale. Quando il circuito monostabile viene attivato da una transizione del segnale di clock il dato viene memorizzato ed inviato in uscita con la cadenza del segnale di clock stesso.

I segnali di CLOCK e DATO sono trasmessi in modo differenziale (tipo RS422) per aumentare l’immunità ai disturbi e per poter supportare lunghe distanze di trasmissione.

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BiSS è un'interfaccia digitale open source per sensori e attuatori. BiSS è compatibile hardware per lo standard industriale SSI (Serial Synchronous Interface) ma offre funzionalità e opzioni aggiuntive come la comunicazione bidirezionale dei dati (seriale sincrona, comunicazione dati continua) e due linee unidirezionali di clock e dati (ciclici ad alta velocità (fino a 10 MHz) , compensazione del ritardo di linea per il trasferimento di dati ad alta velocità, richiedere tempi di elaborazione per la generazione di dati nello slave, sicurezza (CRC, errori, avvisi) e capacità di bus per più slave e dispositivi in una catena.

Il vantaggio dei protocolli open source è che la selezione dei componenti non è imposta, in questo modo il cliente finale può scegliere i prodotti corretti relativi all'applicazione, aumentando l'efficienza in termini di costi.
Ulteriore vantaggio per il cliente finale è la compatibilità tra diversi produttori.

Tipica connessione di encoder BiSS

Nella configurazione punto-punto, solo un dispositivo con uno o più slave (sensori) è collegato al master. Il master trasmette il segnale di clock allo / agli slave tramite la linea MA. La linea SL trasporta i dati del sensore direttamente dal primo slave al master. Nella configurazione punto-punto l'ingresso SLI di "Last Slave" è collegato a "0".

Nella configurazione multipla, tutti i dispositivi, che possono includere anche più slave, sono collegati in una catena. Ogni slave ha quindi due terminali (SLO e SLI) con driver forniti per segnali differenziali ad alta velocità, se applicabili. La linea MA fornisce contemporaneamente il segnale di clock dal master a tutti gli slave e le linee SLO e SLI collegano il master e tutti gli slave in una catena.

Connessione BiSS di più prodotti e trama BiSS

Il frame BiSS (frame di trasmissione) viene avviato dal master con il clock MA, sincronizzato e terminato. Qui il primo fronte di salita in MA viene utilizzato per la sincronizzazione di tutti gli slave ed abilita la scansione isocrona dei dati del sensore e dell'uscita isocrona dei dati dell'attuatore. Con il 2° fronte di salita di MA, tutti gli slave impostano la loro linea SLO su "0" e generano il loro segnale "Ack" (Acknowledge); rimane attivo (SLO = "0") fino a quando il bit di start arriva all'ingresso SLI del rispettivo slave. Il bit di start viene quindi trasmesso in modo sincrono con il clock MA di ogni slave ritardato di un impulso di clock, mentre il bit CDS viene trasmesso dallo slave o impostato in base alle regole del frame di controllo. A partire dal 2° bit dopo il bit di start e fino al bit di stop del frame BiSS, segue l'intervallo di dati, che trasmette i dati del sensore dagli slave al master e i dati dell'attuatore dal master agli slave. Il frame BiSS termina con il timeout BiSS. In questo momento nessun altro impulso di clock viene inviato ad MA dal master. Lo stato inverso della linea MA durante il timeout BiSS è lo stato del bit CDM (Control Data Master). Alla fine della trasmissione dei dati, il master imposta l'uscita MO allo stato di riposo "1". Gli slave quindi passano questo "1" ricevuto da SLI al loro SLO di uscita non appena hanno rilevato la scadenza del timeout. Ciò garantisce che il timeout BiSS sulla linea SL sia segnalato al master solo quando tutti gli slave collegati hanno rilevato il timeout.
Alla scadenza del timeout BiSS, tutti gli slave tornano allo stato di riposo; tutte le linee sono impostate sul livello di segnale alto ("1") nel processo.

Ulteriori informazioni possono essere trovate sul sito del consorzio BiSS.

MODBUS è un protocollo di messaggistica a livello di applicazione, posizionato al livello 7 del modello OSI. Fornisce la comunicazione client/server tra dispositivi collegati su diversi tipi di bus o reti.

E’ lo standard seriale industriale de facto dal 1979, MODBUS continua a consentire a milioni di dispositivi di automazione di comunicare.
MODBUS è un protocollo di richiesta/risposta e offre servizi specifi cati da codici funzione. I codici funzione MODBUS sono elementi delle PDU di richiesta/risposta.

STRUTTURA DEI TELEGRAMMI MODBUS RTU
Per eseguire le impostazioni nel dispositivo, i rispettivi registri Modbus devono essere indirizzati tramite un telegramma. La struttura di base di un telegramma Modbus è mostrata di seguito:

L'area dati ha una struttura diversa a seconda che il telegramma sia una richiesta o una risposta e in base al codice funzione utilizzato.

In modalità RTU, i messaggi iniziano con un intervallo silenzioso di almeno 3,5 caratteri. Secondo la velocità di trasmissione impostata nella rete, questo intervallo è implementato più facilmente come multiplo della durata di un carattere. Il primo campo successivamente trasmesso è l'indirizzo del dispositivo nel range 01…F7h (247d), (248-255 sono riservati per Modbus).
I caratteri consentiti per tutti i campi: esadecimale 0–9, A–F. I dispositivi collegati in rete monitorano costantemente il bus di rete, anche durante gli intervalli di "silenzio". Quando viene ricevuto il primo campo (campo indirizzo), il dispositivo lo decodifica per determinare se il messaggio è diretto ad esso. Dopo l'ultimo carattere trasmesso, un identico intervallo di almeno 3,5 caratteri indica la fine del messaggio, un nuovo messaggio può iniziare dopo questo intervallo.

Il telegramma completo deve essere trasmesso come un flusso di dati continuo. In caso di un intervallo silenzioso di oltre 1,5 caratteri prima della fine del telegramma, il dispositivo ricevente cancella il messaggio e presuppone che il byte successivo sia il campo dell'indirizzo di un nuovo messaggio.

Analogamente, se un nuovo messaggio inizia prima della fine dell'intervallo di silenzio di 3,5 caratteri, il dispositivo ricevente considera questo nuovo messaggio come la continuazione del messaggio precedente. Questo attiverà un errore, in quanto il valore nel campo CRC finale non sarà valido per i messaggi combinati.

CAN livelli fisico e trasporto

CAN è un bus di campo che funziona con il metodo CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance). Significa che le collisioni durante l’accesso al bus sono evitate da un cosiddetto “arbitrato” bit per bit. I bit sono codificati NRZ-L (Non Return to Zero - Low).
Un controllo di ridondanza ciclico (CRC) e altri meccanismi di sicurezza forniscono una trasmissione sicura. Per la sincronizzazione viene utilizzato un meccanismo chiamato “bit stuffing”. CAN è un sistema multi-master, ovvero è possibile collegare più nodi bus uguali senza un master bus che supervisioni la comunicazione. In linea di principio un bus CAN può essere realizzato con filo di rame o cavo in fibra ottica.
L’implementazione CAN comune con filo di rame funziona con segnali differenziali, trasmessi tramite due fili: CANHIGH, CANLOW. Pertanto CAN ha un buon rapporto di reiezione della modalità comune.
I dati vengono trasmessi con bit che possono essere dominanti o recessivi. Il dominante (0) sovrascrive sempre il recessivo (1).
La topologia di una rete CAN è una linea, che può essere estesa da stub., tuttavia la lunghezza massima di uno stub è limitata a 0,5 m.
La rete deve sempre essere terminata su entrambe le estremità con 120 Ohm ciascuna (tra CANHIGH e CANLOW). Altre posizioni o valori non sono ammessi.
L’arbitrato sopra menzionato viene utilizzato per controllare l’accesso al bus dei nodi mediante la definizione delle priorità dell’identificatore CAN dei diversi messaggi.
Ogni nodo controlla il bus, se più di un nodo desidera l’accesso al bus, il nodo con la priorità più alta dell’ID messaggi ha esito positivo e gli altri nodi si ritirano fino a quando non si verifica un “silenzio” sul bus (vedere l’esempio seguente). Tecnicamente il primo bit dominante dell’ID invio sovrascrive il corrispondente bit recessivo degli altri ID. Nel caso in cui più di un nodo utilizzi lo stesso CAN-ID, si verifica un errore solo in caso di collisione all’interno del resto del frame. In linea di principio un CAN-ID deve essere utilizzato solo da un singolo nodo.

Esempio di arbitrato.

A causa dell’arbitrato c’è una classifica dei messaggi. Il messaggio con l’ID più basso ha la priorità più alta e quindi ha un accesso quasi istantaneo sul bus. L’eccezione è che una trasmissione in corso non verrà interrotta. Quindi i messaggi time-critical dovrebbero essere assegnati ai CAN-ID ad alta priorità, ma anche in questo caso non vi è alcuna determinazione nel tempo di trasmissione (trasmissione non deterministica).
Per l’arbitrato tutti i nodi devono essere sincronizzati. A causa della mancanza di un segnale di clock separato, la trasmissione di molti bit identici in linea comporterebbe la perdita della sincronizzazione. Il cosiddetto bit-stuffing viene utilizzato per prevenire questo caso. Dopo cinque bit uguali verrà inserito un bit complementare nella trasmissione (l’applicazione non lo noterà). In questo modo i nodi possono continuare a risincronizzare sui fronti dei bit (vedere la figura seguente).

Bitstuffing

Una rete CAN può funzionare con velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s.
A causa della necessaria sincronizzazione dei nodi, il ritardo massimo causato dalla lunghezza del cavo deve essere limitato, la limitazione corrisponde al baudrate. Esiste una raccomandazione comune sulla lunghezza massima del cavo a diverse velocità di trasmissione:

Velocità di trasmissione CAN e limiti di lunghezza del cavo consigliati

CANopen

CANopen è un protocollo superiore specificato (protocollo di livello 7)

Modello ISO-OSI

Con CANopen è possibile trasferire grandi quantità di dati, telegrammi di emergenza e dati di processo.
CANopen descrive come viene eseguita la comunicazione. Ciò significa che i parametri per configurare un dispositivo vengono trasmessi in una forma (profilo) definita.
Un profilo CANopen definisce oggetti che rappresentano le diverse funzioni di un dispositivo. Questi oggetti formano una tabella chiamata dizionario oggetti.
Il profilo di comunicazione definisce i servizi di base e i parametri di un dispositivo CANopen (ad es. Oggetti dati di servizio SDO, oggetti dati di processo PDO, CAN-ID
usati, ecc.). Il profilo del dispositivo definisce le funzioni specifiche di una famiglia di dispositivi (ad es. Encoder, dispositivi di I/O, ...).
Per gli encoder il profilo del dispositivo è il Profilo encoder CiA 406.

Profibus (Process Field Bus) rappresenta uno standard di comunicazione seriale per dispositivi inseriti in reti di automazione (field bus o bus di campo); si tratta di un protocollo aperto, definito tramite la DIN 19245 e divenuto normativa europea EN 50170 volume 2.

Promosso da Siemens, Profibus è molto diffuso in ambito europeo: grazie alla definizione di tre profili di comunicazione distinti, questo bus di campo si adatta alla maggior parte delle esigenze che possono nascere nei sistemi di automazione, partendo dalle applicazioni che richiedono notevole velocità nello scambiare ciclicamente un numero ridotto di bit (Profibus DP) fino ad arrivare alla gestione di comunicazioni relativamente complesse tra dispositivi “intelligenti” (Profibus FMS) o task riguardanti strettamente l’automazione di processo (Profibus PA).

Gli encoder Eltra utilizzano la variante DP (Decentralized Periphery), soluzione standard per gestire tramite bus dispositivi che nella maggior parte dei casi sono moduli di I/O, sensori/trasduttori o attuatori ad un basso livello nei sistemi di automazione.

Per maggiori informazioni, è possibile visualizzare il PDF on-line.

I cicli di innovazione sempre più brevi per i nuovi prodotti rendono necessaria la continua evoluzione della tecnologia di automazione. L'uso della tecnologia fieldbus è stato uno sviluppo significativo negli ultimi anni. Ha reso possibile migrare dai sistemi di automazione centralizzati a quelli decentralizzati. PROFIBUS, in qualità di leader del mercato globale, ha fissato qui il punto di riferimento per 25 anni. Nella tecnologia di automazione odierna, Ethernet e tecnologia informatica (IT) chiamano sempre più le riprese con standard consolidati come TCP/IP e XML.
L'integrazione della tecnologia informatica nell'automazione offre opzioni di comunicazione significativamente migliori tra i sistemi di automazione, ampie possibilità di configurazione e diagnostica e funzionalità di servizio su tutta la rete.
Queste funzioni sono state componenti integrali di PROFINET sin dall'inizio. PROFINET è l'innovativo standard aperto per Industrial Ethernet.
PROFINET soddisfa tutti i requisiti della tecnologia di automazione; se l'applicazione riguarda l'automazione della produzione, l'automazione dei processi o gli azionamenti (con o senza sicurezza funzionale), PROFINET è la prima scelta su tutta la linea. Come tecnologia standard nel settore automobilistico, ampiamente diffusa nella costruzione di macchine e ben collaudata nei settori alimentare, dell'imballaggio e della logistica, PROFINET ha trovato la sua strada in tutte le aree di applicazione.
Le nuove aree di applicazione stanno costantemente emergendo, come le applicazioni marine e ferroviarie o anche le operazioni quotidiane, ad esempio, in un negozio di bevande. E ora: il nuovo profilo tecnologico PROFIenergy migliorerà il bilancio energetico nei processi produttivi. PROFINET è standardizzato in IEC 61158 e IEC 61784.
L'ulteriore sviluppo continuo di PROFINET offre agli utenti una visione a lungo termine per l'implementazione dei loro compiti di automazione.
Per i produttori di macchine e impianti, l'utilizzo di PROFINET riduce al minimo i costi di installazione, progettazione e messa in servizio.
Per i proprietari di impianti, PROFINET offre facilità di espansione degli impianti ed elevata disponibilità degli impianti grazie alla gestione autonoma delle unità di produzione e ai bassi requisiti di manutenzione. La certificazione obbligatoria per i dispositivi PROFINET garantisce anche un elevato standard di qualità.

Esempio di impianto di rete

L'ambito delle funzioni supportate da PROFINET IO è chiaramente suddiviso in classi di conformità ("CC"). Questi forniscono un riepilogo pratico delle varie proprietà minime.
Esistono tre classi di conformità che si basano l'una sull'altra e sono orientate alle applicazioni tipiche.

Classi di conformità Profinet

CC-A offre funzioni di base per PROFINET IO con comunicazione RT. Tutti i servizi IT possono essere utilizzati senza restrizioni. Applicazioni tipiche si trovano, ad esempio, nell'automazione aziendale. La comunicazione wireless è specificata per questa classe.
CC-B estende il concetto per includere la diagnostica di rete tramite meccanismi IT e informazioni sulla topologia. La funzione di ridondanza del sistema importante per l'automazione del processo è contenuta in una versione estesa di CC-B denominata CC-B (PA).
CC-C descrive le funzioni di base per dispositivi con prenotazione e sincronizzazione della larghezza di banda supportata dall'hardware (comunicazione IRT) ed è quindi la base per le applicazioni isocrone.

Le classi di conformità servono anche da base per la certificazione e le linee guida sul cablaggio.
Una descrizione dettagliata dei CC si trova nel documento "Le classi di conformità PROFINET IO" [7.042].

Il concetto PROFINET è stato definito in stretta collaborazione con gli utenti finali sulla base di standard Ethernet secondo IEEE 802 in IEC 61158 e IEC 61784. Nella figura seguente sono elencate le specifiche aggiuntive delle funzionalità sotto forma di profili di giunzione differenti. Questi costituiscono la base per i profili specifici del dispositivo o dell'applicazione. Vengono create istruzioni per le necessarie fasi di pianificazione, ingegnerizzazione e messa in servizio.
Le basi per questo costituiscono le linee guida per i sistemi di ingegneria PROFINET.

PROFINET IO segue il modello Provider / Consumer per lo scambio di dati. La progettazione di un sistema PROFINET IO ha lo stesso aspetto di un sistema PROFIBUS.
Per PROFINET IO vengono definite le seguenti classi di apparecchi:

IO Controller: si tratta in genere del controllore logico programmabile (PLC) su cui è in esecuzione il programma di automazione. Questo è paragonabile a un master di classe 1 in
PROFIBUS. L'IO Controller fornisce i dati di uscita agli IO Device configurati nel suo ruolo di provider ed è il consumatore dei dati di input dei dispositivi IO.

IO Device: un IO Device è un dispositivo di campo I/O distribuito che è collegato a uno o più IO Controller tramite PROFINET IO. È paragonabile alla funzione di uno slave in PROFIBUS. Il dispositivo IO è il fornitore di dati di input e il consumatore di dati di output.

IO Supervisor: può essere un dispositivo di programmazione (PD), personal computer (PC) o interfaccia uomo macchina (HMI) per scopi di messa in servizio o di diagnostica e corrisponde a un master di classe 2 in PROFIBUS.

Un'unità impianto contiene almeno un IO Controller e uno o più IO Device. I supervisori IO sono generalmente integrati solo temporaneamente per scopi di messa in servizio o risoluzione dei problemi.

Ulteriori informazioni possono essere trovate sul sito del consorzio Profinet.

EtherCAT è Industrial Ethernet e utilizza frame standard e livello fisico come definito nello standard Ethernet IEEE 802.3. Tuttavia, risponde anche alle esigenze specifiche affrontate nel settore dell’automazione, dove:
· ci sono requisiti in tempo reale difficili con tempi di risposta deterministici
· il sistema di solito è composto da molti nodi, ognuno dei quali ha solo una piccola quantità di dati come processo di scambio ciclico
· i costi dell’hardware sono ancora più importanti che nelle applicazioni IT e d’ufficio
I requisiti di cui sopra rendono praticamente impossibile l’utilizzo di una rete Ethernet standard a livello di campo. Se viene utilizzato un singolo telegramma Ethernet per ciascun nodo, la frequenza dei dati effettivi diminuisce in modo significativo per pochi byte di dati di processo ciclici:
il telegramma Ethernet più corto è lungo 84 byte (incluso Inter Frame Gap), di cui 46 byte possono essere utilizzati per dati di processo. Ad esempio, se un’unità invia 4 byte di dati di processo per la posizione effettiva e le informazioni sullo stato e riceve 4 byte di dati come nuova posizione e controllo la velocità dati effettiva per entrambi i telegrammi scende a 4/84 = 4,8%. Inoltre, l’azionamento solitamente ha un tempo di reazione che innesca la trasmissione dei valori effettivi dopo aver ricevuto i valori target.
Alla fine, non rimane molto della velocità di trasferimento di 100 MB/s.
Gli stack di protocollo, come quelli utilizzati nel mondo IT per la connessione di routing (IP) (TCP), richiedono un sovraccarico aggiuntivo per ciascun nodo e creano ulteriori ritardi durante i runtime dello stack.
EtherCAT supera le diffi coltà descritte nella sezione precedente con la sua modalità operativa ad alte prestazioni, in cui un singolo frame è in genere sufficiente per inviare e ricevere dati di controllo da e verso tutti i nodi!
Il master EtherCAT invia un telegramma che passa attraverso ciascun nodo. Ogni dispositivo slave EtherCAT legge i dati indirizzati ad esso al volo e inserisce i suoi dati nel frame mentre il frame si sposta a valle. Il frame è ritardato solo dai tempi di ritardo di propagazione dell’hardware. L’ultimo nodo in un segmento o ramo rileva una porta aperta e rimanda il messaggio al master utilizzando la funzione full duplex della tecnologia Ethernet.
La velocità dati massima effettiva del telegramma aumenta a oltre il 90% e, grazie all’utilizzo della funzione full duplex, la velocità dati teorica effettiva è addirittura superiore a 100 MBits/s.
Il master EtherCAT è l’unico nodo all’interno di un segmento a cui è consentito inviare attivamente un frame EtherCAT; tutti gli altri nodi si limitano a inoltrare i frame a valle. Questo concetto previene ritardi imprevedibili e garantisce funzionalità in tempo reale.
Il master utilizza un Ethernet Media Access Controller (MAC) standard senza un processore di comunicazione aggiuntivo. Ciò consente di implementare un master su qualsiasi piattaforma hardware con una porta Ethernet disponibile, indipendentemente dal sistema operativo in tempo reale o dal software applicativo utilizzato.
I dispositivi slave EtherCAT utilizzano un controller slave EtherCAT (ESC) per elaborare i frame al volo e interamente in hardware, rendendo prevedibili le prestazioni della rete e indipendenti dall'implementazione del singolo dispositivo slave.

EtherCAT in un frame Ethernet standard (secondo IEEE 802.3)

EtherCAT incorpora il suo payload in un frame Ethernet standard. Il frame EtherCAT è identificato con l’identificatore (Ox88A4) nel campo EtherType.
Poiché il protocollo EtherCAT è ottimizzato per brevi dati di processo ciclici, è possibile eliminare l’uso di stack di protocollo ingombranti, come TCP/IP o UDP/IP. Per garantire la comunicazione IT Ethernet tra i nodi, è possibile effettuare il tunneling delle connessioni TCP / IP attraverso un canale di mailbox senza influire sul trasferimento dei dati in tempo reale.

Durante l’avvio, il dispositivo master configura e mappa i dati di processo sui dispositivi slave. Diverse quantità di dati possono essere scambiate con ogni slave, da un bit a  pochi byte o anche fi no a kilobyte di dati.
Il frame EtherCAT contiene l’intestazione del frame e uno o più datagrammi.
L’intestazione del datagramma indica il tipo di accesso che il dispositivo master vorrebbe eseguire:
- Leggi, scrivi o leggi-scrivi
- Accesso a un dispositivo slave specifico tramite indirizzamento diretto o accesso a più dispositivi slave tramite indirizzamento logico (indirizzamento implicito) L’indirizzamento logico viene utilizzato per lo scambio ciclico dei dati di processo. Ogni datagramma si rivolge a una parte specifica dell’immagine di processo nel segmento EtherCAT, per il quale sono disponibili 4 GByte di spazio di indirizzi. Durante l’avvio della rete, a ciascun dispositivo slave vengono assegnati uno o più indirizzi in questo spazio di indirizzi globale. Se a più dispositivi slave sono assegnati indirizzi nella
stessa area, possono essere indirizzati tutti con un singolo datagramma.
Poiché i datagrammi contengono completamente tutte le informazioni relative all’accesso ai dati, il dispositivo master può decidere quando e quali dati accedere. Ad esempio, il dispositivo master può utilizzare brevi tempi di ciclo per aggiornare i dati sugli azionamenti, mentre utilizza un tempo di ciclo più lungo per campionare l’I/O; non è necessaria una struttura dati di processo fissa. Ciò allevia anche il dispositivo master rispetto ai sistemi bus di campo convenzionali, in cui i dati di ciascun nodo dovevano essere letti singolarmente, ordinati con l’aiuto del controller di processo e copiati
in memoria.

Con EtherCAT, il dispositivo master deve solo riempire un singolo frame EtherCAT con nuovi dati in uscita e inviare il frame tramite accesso diretto alla memoria (DMA) al controller MAC.

Quando viene ricevuto un frame con nuovi dati di input tramite il controller MAC, il dispositivo master può nuovamente copiare il frame tramite DMA nella memoria del computer, il tutto senza che la CPU debba copiare attivamente alcun dato.

Linea, albero, stella o collegamento daisy-chain: EtherCAT supporta quasi tutte le topologie. EtherCAT rende possibile una pura topologia di bus o linea con
centinaia di nodi senza le limitazioni che normalmente derivano da switch o hub a cascata.

 Topologia flessibile: linea, albero, stella o collegamento daisy-chain.

Quando si collega il sistema, la combinazione di linee con diramazioni o linee di derivazione è particolarmente vantaggiosa: le porte necessarie per creare diramazioni sono integrate direttamente in molti moduli I / O, quindi non sono richiesti switch aggiuntivi o componenti di infrastruttura attiva.La topologia a stella, la classica Ethernet, può anche essere utilizzata naturalmente.

Le macchine modulari o i cambia utensili richiedono la connessione e la disconnessione di segmenti di rete o singoli nodi durante il funzionamento.
I controller slave EtherCAT includono già la base per questa funzione Hot Connect. Se viene rimossa una stazione vicina, la porta viene automaticamente chiusa in modo che il resto della rete possa continuare a funzionare senza interferenze. Tempi di rilevamento molto brevi superiori a 15 microsecondi garantiscono un passaggio senza problemi.
EtherCAT offre molta flessibilità per quanto riguarda i tipi di cavo, quindi ogni segmento può utilizzare il tipo esatto di cavo che soddisfa al meglio le sue esigenze. In modalità 100BASE-TX è possibile utilizzare un cavo Ethernet industriale economico tra due nodi fino a 100 m di distanza.
Inoltre, l’aggiunta del protocollo EtherCAT P consente la trasmissione di dati e alimentazione tramite un singolo cavo. Questa opzione consente il collegamento di dispositivi come sensori con una sola linea. È inoltre possibile utilizzare fibre ottiche (come 100BASE-FX), ad esempio per una distanza del nodo superiore a 100 m. La gamma completa di cablaggi Ethernet è disponibile anche per EtherCAT. È possibile collegare fino a 65.535 dispositivi a un segmento EtherCAT, quindi l’espansione della rete è praticamente illimitata. A causa del numero praticamente illimitato di nodi, è possibile progettare dispositivi modulari come stazioni I / O suddivise in modo tale che ciascun modulo sia un Nodo EtherCAT a parte. Quindi, il bus di estensione locale viene eliminato; le elevate prestazioni di EtherCAT raggiungono ogni modulo direttamente e senza ritardi, poiché non vi sono più gateway nell’accoppiatore del bus o nella stazione principale.

Per configurare e diagnosticare i dispositivi slave, è possibile accedere alle variabili fornite per la rete con l’aiuto della comunicazione aciclica. Questo si basa su un protocollo di mailbox affidabile con una funzione di ripristino automatico per messaggi errati.

Per supportare un’ampia varietà di dispositivi e livelli applicativi, sono stati stabiliti i seguenti profili di comunicazione EtherCAT:
- Protocollo di applicazione CAN su EtherCAT (CoE)
- Profi lo servoazionamento, secondo IEC 61800-7-204 (SoE)
- Ethernet su EtherCAT (EoE)
- Accesso ai fi le tramite EtherCAT (FoE)
- ADS over EtherCAT (AoE)
Non è necessario che un dispositivo slave supporti tutti i profili di comunicazione; può invece decidere quale profilo sia più adatto alle sue esigenze. Al dispositivo master viene notificato quali profili di comunicazione sono stati implementati tramite il file di descrizione del dispositivo slave.
Con il protocollo CoE, EtherCAT fornisce gli stessi meccanismi di comunicazione della norma CANopen® EN 50325-4: Object Dictionary, Mapping of Process Data Objects (PDO) e Service Data Objects (SDO). Anche la gestione della rete è simile. Ciò consente di implementare EtherCAT con il minimo sforzo nei dispositivi precedentemente equipaggiati con CANopen e anche grandi parti del firmware CANopen sono persino riutilizzabili. Facoltativamente, la limitazione PDO legacy a 8 byte può essere revocata ed è anche possibile utilizzare la larghezza di banda avanzata di EtherCAT per supportare il caricamento dell’intero dizionario degli oggetti.

I profili del dispositivo, come il profilo dell’unità CiA 402, possono anche essere riutilizzati per EtherCAT.

Profili di comunicazione diversi possono coesistere nello stesso sistema

EtherCAT®, EtherCAT P® e Safety over EtherCAT® sono marchi registrati e tecnologie brevettate, concessi in licenza da Beckhoff Automation GmbH, Germania.
CANopen® è un marchio registrato di CAN in Automation e.V. Altri testi e immagini copyright Ethercat Technology Group.

Proponiamo qui di seguito un esempio di codice ordinativo dei prodotti Eltra con il quale è possibile identificare o verificare le principali caratteristiche del dispositivo.

Tutte le varianti disponibili e le caratteristiche meccaniche ed elettroniche specifiche per ogni serie sono indicate nei Datasheet, scaricabili in corrispondenza di ogni prodotto.