Semplificazione del controllo in tempo reale e della comunicazione industriale con un singolo chip

Autore: Gina Hann – Product Marketing Engineer, Texas Instruments

 

Un tipico ambiente di automazione industriale presenta più livelli di controllo operatore e di campo per stabilire la comunicazione tra dispositivo e dispositivo. All’aumentare della diffusione delle smart factory, è sempre più frequente dover progettare sistemi in grado non soltanto di affrontare le complesse esigenze di calcolo poste da set di dati sempre più grandi in tutta la fabbrica, ma anche di farlo in modo da tener conto della comunicazione multiprotocollo in tempo reale, come mostrato nella Figura 1, e per essere pronti alla futura gestione e al futuro aggiornamento dei sistemi.

 

Per rispondere effettivamente allo sviluppo delle esigenze delle smart factory, i processori moderni devono affrontare le sfide poste dalle esigenze di calcolo per il controllo in tempo reale, per la sicurezza e l’affidabilità, oltre alla flessibilità della comunicazione multiprotocollo, in una struttura scalabile per le future soluzioni.

Come rendere possibile il controllo in tempo reale per l’edge computing

L’edge computing localizza il calcolo dei dati in prossimità del punto di origine in modo da ottenere un’efficiente elaborazione dei dati sia per i sistemi locali che per i sistemi basati sul cloud. Per l’automazione industriale, l’edge computing rende possibile il controllo in tempo reale tramite calcolo e comunicazione a bassa latenza sulla sorgente dei dati. In un braccio robotizzato, ad esempio, sono presenti più motori controllati in locale, mentre un controller a logica programmabile (PLC) controlla il braccio nel suo insieme.

Per risolvere le sfide legate al calcolo e alla comunicazione si sono utilizzate tradizionalmente soluzioni multichip, talvolta con un chip di networking per la comunicazione industriale ad alta velocità e un processore per il calcolo dei dati. Combinando la capacità di elaborazione per l’edge computing in tempo reale con uno stack industriale multiprotocollo integrato e pre-certificato, la famiglia di unità microprocessore (MPU) Sitara AM64 e la famiglia di microcontroller (MCU) AM243 di TI semplificano il processo di sviluppo per la comunicazione e il controllo industriali in tempo reale.

Le famiglie di dispositivi MPU AM64 e di MCU AM243 sono in grado ciascuna di gestire la comunicazione industriale con un sottosistema di comunicazione industriale a unità programmabile in tempo reale (PRU-ICSS), un sottosistema a co-processore contenente PRU e controller Ethernet di accesso media. Questa struttura consente di gestire protocolli Industrial Ethernet a basso livello e protocolli a bus di campo tramite firmware, facendo sì che i core applicativi delle MPU AM64 e delle MCU AM243 siano disponibili per elaborare (in parallelo) sia la comunicazione che il calcolo dei dati per controllo e comunicazione a bassa latenza e in tempo reale all’edge.

 

 

È possibile configurare la famiglia di MCU AM243 per un controllo in tempo reale di motori in un braccio robotizzato, in modo da rilevare la posizione o la velocità nel punto di feedback. I dati provenienti da questo feedback, quindi, passano a un’unità centrale, dove la famiglia di MPU AM64 calcola più flussi di dati in ingresso per un controllo PLC di livello superiore. Per gestire il controllo in tempo reale con scenari di condivisione dati multipunto di questo tipo, i processori necessitano di capacità di elaborazione multicore in parallelo a bassa latenza e con jitter ridotto. Le famiglie AM64 e AM243 sono in grado di connettere decine o addirittura centinaia di dispositivi con un singolo cavo e una singola porta sul controller, riuscendo comunque a tenere tempi di ciclo ≤ 11 ms per il controllo in tempo reale. Le soluzioni hardware e software scalabili delle famiglie AM64 e AM243, mostrate in Figura 3, permettono di scegliere fra diverse opzioni di protocollo utilizzando lo stack certificato da TI disponibile in ciascun kit di sviluppo software (SDK) del dispositivo in questione; in questo modo, uno qualsiasi di essi può essere utilizzato per realizzare soluzioni integrate a protocollo industriale con un singolo chip.

Implementazione di protocolli industriali multipli

L’implementazione dell’edge computing per una struttura multisistema comporta la necessità di gestire più protocolli di comunicazione. Mentre ogni sottosistema in fabbrica potrebbe aver bisogno di comunicare singolarmente informazioni a un’unità di controllo centrale, spesso tali sistemi funzionano su protocolli di comunicazione industriale diversi. Per ottenere effettivamente un controllo e una comunicazione in tempo reale in un singolo chip è necessaria l’integrazione di una soluzione software programmabile multiprotocollo in modo da poter scegliere il protocollo migliore per la propria struttura e consentirne una facile scalabilità per il riutilizzo. Gli SDK delle famiglie di MPU AM64 e di MCU AM243 di TI permettono il collegamento a più protocolli industriali, tra cui Ethernet, Profibus o IO-Link, per un facile riutilizzo su più interfacce per dispositivi.

I protocolli industriali integrati di TI sono una caratteristica opzionale per entrambe le famiglie di processori con core Arm® Sitara AM64x e AM243x A53, progettate per semplificare la comunicazione con uno stack multiprotocollo pre-certificato per il protocollo Industrial Ethernet e per lo standard IO-Link. È possibile scegliere fra tre tipi di stack per lo sviluppo di un protocollo industriale:

• Stack integrati con licenza completa di TI.
• Stack di protocollo di terzi prodotti da sviluppatori come Kunbus.
• Uno stack personalizzato.

La Tabella 1 riassume i protocolli supportati e la temporizzazione minima ad alto livello, con un set di funzionalità dettagliato per ciascun protocollo disponibile nel tool kit di comunicazioni industriali all’interno degli SDK per processori AM64x Sitara ed MCU AM243x Sitara.

 

Protocollo	Tempo di ciclo min.	Test di conformità/certificazione	Caratteristiche principali supportate
EtherCAT®	31.25 us	ETG.7000.2	CiA402, CAN over EtherCAT (CoE), Servo Drive Profile (SoE), Ethernet over EtherCAT (EoE), File Access over EtherCAT (FoE), Distributed Clocks
Ethernet/IP	1 ms	CT18.1	Address COnflict Detection (ACD), Quality of Service (QoS), Device Level Ring (DLR), Precision Time Protocol (PTP)
PROFINET®	250 us (IRT) 1 ms (RT)	2.4.2	Classe di conformità A, B (RT) e C (IRT), Precision Time Control Protocol (PTCP), Media Redundancy Protocol (MRP)
IO-Link ®	Tutte le classi di comunicazione supportate	1.1.2	Fino a 8 canali IO-Link Master per ciascun ICSS, conformità standard IO-Link con Standardized Master Interface (SMI)

Tabella 1: Stack di protocollo industriale integrato per le famiglie di MCU AM243 e processori AM64

 

Lo stack multiprotocollo integrato fornisce software di protocollo con licenza in una soluzione firmware supportata da TI al fine di ridurre i costi e il tempo di sviluppo ed è accessibile attraverso gli SDK, che utilizzano un’interfaccia di programmazione applicativa comune per agevolare l’utilizzo multiprotocollo da un’unica piattaforma. I protocolli integrati consentono di realizzare una soluzione a chip singolo per la comunicazione e il controllo industriale utilizzando uno solo dei quattro core R5 per la comunicazione in tempo reale, alleggerendo quindi il carico sui core applicativi in modo che possano dedicarsi all’elaborazione parallela a supporto delle funzioni di controllo e includendo il protocollo Ethernet industriale e lo standard IO-Link per ottenere una piattaforma di comunicazione industriale completa. Inoltre, è possibile utilizzare il core applicativo separato di Codesys Control in funzione sia sul processore AM64 che sulla MCU AM243, connessi a un dispositivo end point, come ad esempio un controller di input/output. La flessibilità di questa soluzione permette di cambiare il protocollo industriale passando da Ethernet/IP a PROFINET® o EtherCAT® senza modificare l’hardware.

Gestione per aggiornamenti e scalabilità del sistema

Dato il continuo sviluppo delle smart factory e di Industria 4.0, gli ingegneri si troveranno sempre più spesso a dover sviluppare soluzioni in continua evoluzione per il controllo in tempo reale. L’hardware e software scalabili della gamma di processori Sitara di TI e i protocolli industriali integrati disponibili nelle famiglie di MCU AM243x e di processori AM64x contribuiscono a semplificare la struttura di controllo e comunicazione in tempo reale.

Risorse supplementari

Scoprite l’intera gamma di corsi di formazione della Sitara MCU+ Academy come introduzione al mondo EtherCAT, EtherNet/IP e PROFINET per la famiglia di MCU AM243.

Scaricate la nota applicativa «Protocolli di comunicazione industriale supportati sui processori e sulle MCU Sitara».

Guardate questi video di formazione di TI:

«L’elaborazione con Codesys Control per stack controller PLC grazie a AM64x ed RT Linux».

«L’elaborazione TSN con Linux».