monitoraggio e comunicazione wired&wireless

7/31/2019 Monitoraggio e Comunicazione Wired&Wireless

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15/12/2009

SISTEMA DI COMMUNICAZIONE WIRED & WIRELESS | Ing.Ibrahim GULESIN

SQUASC S.R.L.MONITORAGGIO E COMUNICAZIONE

WIRED&WIRELESS


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15 dicembre 2009MONITORAGGIO E COMUNICAZIONE WIRED & WIRELESS

SQUASC S.r.l. - Sede Legale Centro Direzionale Isola E7 80143 Napoli I.G.Sede Operativa Stabilimento Zona A.S.I. Pascarola 80023 Caivano [ NA ]C.F/P.IVA 05693081217 Telefono 081.8889200 Fax 081.8889201

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1. SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRED

In questo capitolo descritto il sistema di comunicazione seriale progettato dalla societ

SQUASC S.r.l. L'obiettivo dell'azienda quello di ridurre il numero di cavi utilizzati nell'impianto

adottando un sistema di comunicazione innovativo che, tramite una semplice trasmissione

seriale, invia i dati raccolti dai sensori distribuiti sullimpianto (essenzialmente cabina e piani) al

nodo coordinatore connesso al quadro di manovra.

1.1 HARDWARE

Il sistema costituito da due tipi di scheda elettronica: un tipo slave da interfacciare ai sensori ed alle

segnalazioni dellimpianto e un tipo master da interfacciare alle diverse tipologie di quadro elettrico di

manovra esistenti nel campo ascensoristico.

Le schede del sistema, una di tipo master ed una o pi di tipo slave, colloquiano tra loro tramite

protocollo MODBUS.

Ogni scheda si basa su un microcontrollore di tipo PIC16F877A per la gestione dei segnali e

implementazione del protocollo di comunicazione e su un driver MAX485 per la comunicazione TX/RX

con 2 fili a lunga distanza (max 1km).

Ogni scheda del sistema, sia master che slave si compone di una m ainboardcostituita da:

24 ingressi e 24 uscite per poter collegare i dispositivi dell'impianto;

2 connettori per espansione, per poter collegare la scheda di espansione degli I/O;

Connettore per nodo Zigbee;

Connettore seriale, per interconnettere le altre schede;

Connettore per comunicazione con PC a livello TTL, per eventuali controlli;

Led per permettere la visualizzazione dei dati che viaggiano sulla seriale

Tutti gli I/O sono 0 - 24V;

e da due Daughter board, una per lespansione degli ingressi, una per lespansione delle uscite. OgniDaughter boardaggiunge 16 ingressi o uscite.


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Figura 1.1: SCHEDE ESPANSIONE

Figura 1.2: SCHEDA ZIGMS2009


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1.2 FUNZIONAMENTO MASTER/SLAVE

In questo paragrafo, analizzeremo il funzionamento dei vari tipi di sc heda costituenti il sistema.

Come gi accennato, il protocollo di trasmissione il MODBUS, quindi il sistema o rete sar

composta da una scheda di tipo Master e una o pi schede di tipo Slave .

Scheda di tipo Master

La scheda di tipo Master ha la funzione di acquisire i dati dalla rete interrogando gli slave ad

intervalli regolari e di inviarli al quadro di manovra (QDM) che pu essere di tipo PLC, di tipo a

scheda o quantaltro il mercato abbia da offrire .

Il master interroga lo slave e aspetta una rispo sta. Una volta ottenuta, analizza il pacchetto di dati

ricevuto: se i dati ricevuti non sono riconosciuti correttamente vengono scartati e viene effettuata

una nuova interrogazione, altrimenti, se sono riconosciuti correttamente, per essere sicuri che non

ci siano errori dovuti alla trasmissione dei dati sulla linea, viene effettuato il controllo del CRC-

Modbus. Se detto CRC non corretto, il master scarta lintero pacchetto dati ed esegue una nuova

interrogazione dello salve.

Il Master svolge una funzione centrale del sistema di comunicazione in quanto collegato da una

parte al quadro in modo parallelo (un filo per parametro) e dall'altra agli Slave in modalit seriale(RS485 - MODBUS). (figura 1.1)

Figura 1.3: Connessione Master/Slave

PLC Scheda MASTER Scheda SLAVE

Parallela seriale RS485


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Scheda di tipo Slave

Lo Slave ha la funzione di monitorare e acquisire tutti i segnali derivanti dall'impianto (figura 2.3) , inparticolar modo quelli dal tetto cabina e dalle pulsantiere di piano , come ad esempio:

Segnalazione

Lettura vano

Sensori magnetici

Motore porte

Acquisiti i dati di campo, lo Slave:

1. memorizza lo stato ed il tipo di evento letto nel suo registro MCU2. esegue localmente un'analisi dei dati letti sulla base delle informazioni ricevute3. procede allesecuzione di un eventuale comando ricevuto dalla scheda di tipo Master come,

ad esempio, lattivazione di unuscita.4. i dati acquisiti vengono trasmessi al Master, previa interrogazione da parte del Master

stesso.


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1.3 IL PROTOCOLLO MODBUS

Il MODBUS uno standard industriale p er la comunicazione dei dispositivi di automazione ed unprotocollo di tipo richiesta / risposta che offre dei servizi specificati da function codes.

Il protocollo Modbus su linea seriale, pu essere di due tipi:

Modbus ASCII

Modbus RTU.

Il tipo di comunicazione ASCII, prevede che tutti i caratteri che trasportano informazioni tra

unapparecchiatura e laltra siano convertiti in caratteri ASCII, in modo da lasciare dei caratteri di

controllo per definire linizio e la fine di un frame: questo comporta un sostanziale incrementodella quantit di byte da trasmettere da unapparecchiatura allaltra, con conseguente aumento

del tempo di comunicazione.

Per ovviare a ci stato introdotto il Modbus RTU [Schiavini M., 2008].

Il Modbus RTU un protocollo binario nel quale tutti i 256 possibili valori di un byte

trasmettono informazioni. Linizio e la fine del frame avviene rilevando i tempi di pausa tra un

frame e laltro e tra un carattere e laltro.

In questo modo, tutti i dati possono essere trasmessi senza s ubire conversioni in ASCII: il

numero di byte per ogni frame notevolmente ridotto quindi ne risulta una comunicazione piveloce.

II protocollo Modbus definisce il formato e la modalit di comunicazione tra un "Master" che

gestisce il sistema ed uno o pi "Slave" che rispondono alle interrogazioni del Master.

Si possono connettere un Master e fino a 247 Slave su una linea comune (limite logico del

protocollo), l'interfaccia fisica pu peraltro limitare ulteriormente il numero di dispositivi, per

esempio, l'interfaccia standard RS-485 prevede un massimo di 31 slave connessi alla linea.

Sostituendo l'ultimo elemento della linea con un apposito "bridge o ripetitore", si possono

connettere altri 31 slave e cosi via, sino al raggiungimento del numero massimo lo gico di

dispositivi applicati.

Il protocollo Modbus funziona essenzialmente rispettando le seguenti regole principali:

Solo il master pu iniziare una transazione;

Una transazione pu avere il formato domanda / risposta diretta ad un singolo slave obroadcast in cui il messaggio viene inviato a tutti i dispositivi sulla linea che non dannorisposta.

Una transazione composta da una struttura singola domanda / singola risposta o unastruttura singolo messaggio broadcast / nessuna risposta.


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1.4 ARCHITETTURA DEL SISTEMA WIRED a 2 FILI

La comunicazione tramite protocollo MODBUS, di tipo Master/Slave, avviene in half duplex su

una coppia bifilare che pu avere una lunghezza massima di 1Km . In questo tipo di trasmissione

solo il Master pu dare inizio allo scambio di dati tra le varie schede. Detta comunicazione potr

essere del tipo:

Domanda / risposta: risponde solo lo slave indirizzato

Broadcast: il messaggio viene indirizzato a tutti gli Slave (indirizzo 0) ma gli slave nondanno risposta.

Ogni scheda slave monitora e acquisisce i segnali provenienti dai vari dispositivi dell'ascensore e

li memorizza in un apposito registro (MCU). Le informazioni salvate verranno successivamenteprelevate dal Master ed inviate al quadro di manovra. Inolte, al master sar anche collegabile

un PC per il monitoraggio e salvataggio dei dati letti.

Figura 1.4: Collegamento seriale QuadroDiManovra, pulsantiere di piano, tetto cabina

QDM

PLC O

SCHEDA MASTER

SLAVE

SLAVE

SLAVE

SLAVE


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In figura 1.2 illustrato schematicamente il funzionamento del sistema nel caso di una

configurazione con un Master e quattro Slave :

Il Master collegato al PLC (o scheda) del QDM;

3 Slave sono collegati alle pulsantiere e alle segnalazioni di piano;

uno Slave collegato alla pulsantiera e alle segnalazioni di cabina;

Il Master, dunque, interrogher ciclicamente ogni singolo Slave in attesa di un pacchetto dati,

anche se non si sono verificati eventi esterni a modificare lo stato di un dispositivo. Il Master

interrogher ciclicamente ed uno alla volta i vari Slav e collegati ai vari componenti del sistema.

Il sistema cos concepito offre le seguenti features:

acquisizione dati da remoto solo due fili per la trasmissione dei dati acquisiti

alto numero di parametri monitorizzabili

fino ad 80 I/O per ogni scheda

Visualizzazione e archiviazione dei dati relativi al funzionamento dellimpiantoelevatore, allo scopo, non solo di monitorarne il corretto funzionamento, ma anche didotare il sistema stesso di una diagnostica veloce e sicura, con la quale possibile individuarein tempo reale gli eventuali malfunzionamenti.


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2. SISTEMA DI MONITORAGGIO MODBUS WIRELESS

Ogni scheda, sia di tipo master che di tipo slave, pu essere equipaggiata con un modulo wireless

che consente di eliminare, le gi minime, connessioni tramite fili. I moduli wireless utilizzati sono

basati sul protocollo ZegBee, la frequenza utilizzata per la trasmissione di 2.4 GHz e le distanze tra

due nodi contigui pu variare da 30 a 200m.

Figura 2.1 scheda ZIGMS2009 con interfaccia ZIGBEE

Le schede cos aggiornate andranno a definire larchitettura base della rete WSN (Wireless SensorNetwork) relativa allimpianto elevatore.

La rete WSN ha la funzione principale di raccogliere, attraverso determinati sensori localizzatinella cabina ed ai piani, i dati sul funzionamento dellimpianto elevatore e trasmetterli in remototramite tecnologia senza fili. Le varie informazioni raccolte dalla rete, inoltre, saranno utilizzate perulteriori funzioni di monitoraggio e diagnostica.


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2.1 TIPOLOGIA RETE WSN

Figura 2.2 Architettura della rete wireless WSN (protocollo Zigbee)

La comunicazione dei dati raccolti dai sensori installati sullimpianto avverr in modalit wireless

secondo il protocollo ZigBee IEEE 802.15.4, Larchitettura generale della rete WSN mostrata in

figura 2.2.

In particolare, la rete WSN si compone di tre dispositivi principali:

Nodo End Device (NED): installato sulla cabina dellimpianto elevatore, per linterazionecon le grandezze presenti in cabina (pulsantiera, fotocellula, temperatura, sensorimagnetici, ecc.);

Nodi Router (NR): installati ad ogni piano, per linterazione con le grandezze di piano(display, pulsantiera) e per svolgere funzioni di router nella rete mesh installata;

Nodo Coordinatore (NC): installato nel quadro di manovra come nodo terminale dellarete ha il compito di fare da tramite tra i vari nodi della rete e il PLC.


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11Come mostrato in figura 2.2, in cabina sono installati i sensori di cabina (pulsantiera, pulsantiera

di manutenzione, fotocellula, ecc). Tutti gli output di tali dispositivi sono raccolti, in tempo reale,

dalla scheda Slave (figura 2.2) su cui installato il nodo Zigbee configurato come NED. (figura 2.3)

Figura 2.3 Interfaccia Modbus-Zigbee

Le caratteristiche principali della rete wireless WSN sono rip ortate nella seguente tabella

2.1:

Caratteristiche della rete wireless

Protocollo ZigBee IEEE 802.15.4

Bandwidth 2.4 Ghz

Max data rate 250 kbps

Topologia Mesh network

# coordnatori 1

# router 1 x piano

# end device 1


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I dati raccolti dai dispostivi di cabina sono inviati, dunque, via rete ZigBee, al Coordinatore

collegato alla scheda Master installata allinterno del quadro di manovra. Tale trasmissione

garantita in particolare dalla dislocazione su ogni piano di nodi router; tali nodi router, oltre

che svolgere funzioni di rete, saranno a loro volta dei moduli di raccolta dati relativamente ai

dispositivi di piano come pulsantiera, allarme, ecc, ed inviati al nodo coordinatore.

Figura 2.4 Collegamento wireless QDM, pulsantiere di piano, tetto cabina

Infine, il nodo coordinatore, oltre ad avere funzioni di rete, avr quindi il compito di raccogliere

dati provenienti dagli End-Device di cabina e dai Router di piano e di trasferirli al PLC installato

nel quadro di manovra.

QUADRO DI MANOVRA

CABINA

PIANO

PLC o

SCHEDA

MASTER

SLAVE

SLAVE

SLAVE

SLAVE


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14Lo sviluppo del sistema intelligente di gestione e lapplicazione dello stesso agli impianti di

sollevamento distribuiti sul territorio, trova la sua origine scientifica nei concetti elaborati

nellambito dellingegneria dei sistemi comples si. Conseguentemente lapproccio, che ha

determinato i risultati di seguito esposti, ha perseguito il desiderio di trasformare limpianto tecnologico

ascensore in un impianto in grado di apprendere e di migliorare la propria efficienza funzionale, e

quindi dotato di memoria.

Questo sistema intelligente, consente:

di uniformare i giudizi sullo stato degli impianti prescindendo dalle tipologie e dalla loro

locazione,

di massimizzare le prestazioni del servizio ascensori e degli impianti e di minimizzarne i

costi di gestione, di fermo e di manutenzione,

di supportare ed ottimizzare la pianificazione e la programmazione degli interventi,

di monitorare e migliorare il livello di sicurezza e di affidabilit degli impianti.

diminuendo al contempo i costi di fruizione e di manutenzione.

Inoltre, attraverso il sistema:

lutente non mai solo in ascensore, poich il sistema vigila costantemente sul funzionamento

dellimpianto anche in situazioni di black -out generalizzati, consentendo in caso di bisogno,

una efficace rassicurazione del passeggero ed un pronto intervento di soccorso, grazie al

monitoraggio in tempo reale, o, addirittura,

il tecnico intervenendo su problemi gi ben individuati e segnalati dalla diagnostica del

sistema, in grado di intervenire in mani era mirata, anche nei casi di guasti intermittenti e

risolve il caso al primo intervento evitando quindi il ripetersi delle situazioni di guasto,

possibile rilevare eventuali usi impropri dellascensore consentendo, da un lato,

interventi mirati per realizzare economie di gestione e miglioramenti nella gestione del

traffico passeggeri e fornendo, dallaltro, importanti indicazioni al servizio di sicurezza.


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3.

Figura 3.1: Schema del sistema di gestione intelligente del servizio ascensori o

impianti di sollevamento

Il sistema di monitoraggio pu essere utilizzato:

sia RS485 MODBUS wired.

sia wireless ZIGBEE

Le principali funzioni supportate dal sistema sono:

Gestione database: contenente i dati relativi agli impianti monitorati (indirizzo, dati

tecnici impianto, storico chiamate ...).

Gestione chiamate: il software gestisce tutte le chiamate in arrivo da impianti guasti in

modalit automatica o manuale.

Visualizzazione impianti: visualizzazione sul monitor degli impianti monitorati in gruppi

di n alla volta.

Dettagli impianti: possibilit di effettuare un controllo approfondito sul

funzionamento di ogni impianto visualizzando lo stato di tutti gli ingressi, uscite, chiamate,

parametri di programmazione e lista guasti.


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16Riporto al piano programmato: possibilit di effettuare a distanza un tentativo di

riporto al piano programmato (piano terra).

Comando rel: possibilit di abilitare a distanza fino ad n uscite per scopi generici.

Check impianti: controllo automatico di tutti gli impianti monitorati i n giorni prefissati.

3.1 IL SISTEMA DI MONITORAGGIO DELLA SQUASC S.r.l.L'azienda SQUASC S.r.l. dispone di un dispositivo di tele monitoraggio per gli impianti di

ascensore denominato Lift Supervisor (LS).

Esso basato su una rete di concentratori ZIGMS 2009 (figura 3.3) che sono dei semi intelligenti (cio

in assenza di collegamento con il Master (PC) non c autogestione locale ma mantiene gli ultimi

stati delluscita).

Ogni dispositivo ZIGMS2009 posto a monte di ogni singolo impianto prelevandone i d ati dallo Slave

ed inviandoli ad un computer di supervisione Master (PC).

Figura 3.2 quadro di manovra con la scheda ZIGMS2009


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Software di Gestione ZIGMS2009 specificatamente destinato allanalisi e memorizzazione di dati

provenienti dal campo di acquisizione e inerenti a sistemi di automazione, manutenzione e sistemi

di sicurezza. Le sue caratteristiche funzionali riflettono, quindi, questo genere di compito nella

tipologia di gestione dei segnali acquisiti.

Figura 3.3 IL SISTEMA DI MONITORAGGIO

Gli eventi acquisiti dalle interfacce ZIGMS2009 di campo vengono letti e interpretati secondo unordine di priorit stabilito come segue :

1. Assenza di collegamento con linterfaccia.

2. Lettura ingressi digitali On/Off programmabili.

3. Scrittura uscita nel concentratore.

4. Lettura ingressi analogici(Corrente,voltaggio,termico).

5. Ricezione e trasmissione comandi verso le uscite programmabili.

6. Gestione allarmi in modo locale o tramite comando del master.

Ogni modulo ZIGMS2009 dispone di:

40 ingressi digitali


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18 40 uscite TRANSISTOR

Un morsetto dalimentazione a 24VDC

Connettore RS485 dedicato al bus di comunicazione MODBUS

Connettore RS232 dedicato al bus di comunicazione MODBUS CON PC

Max. collegamenti alla rete WIRED n x 244

Max. collegamenti alla rete WIRED n x ZIGMS200 9

Visualizzazione con LED di segnalazione dello stato della comunicazione e dello stato degli

input/output

Il sistema Lift Supervisor si basa su tre sistemi operanti in cascata:

1.Il sistema di Misura: sono utilizzati n sottosistemi che permettono lacquisiz ione dati da

semplici sensori analogici/digitali o linterfacciamento con dispositivi pi complessi,

come comunicazione seriale Modbus.

2.Il sistema di Trasmissione: permette di trasferire in centrale parte dei dati acquisiti dal

sistema di Misura.

3.Il sistema di Gestione e Diagnostica: in base ai dati ricevuti, in grado di riscontrare

eventuali anomalie. Questultimo crea un database delle anomalie. Dalla valutazione del

database delle anomalie, possibile effettuare una diagnosi predittiva delleventuale

problema, prevedendo uneventuale guasto o malfunzionamento futuro.

La comunicazione tra ZIGMS2009 con il PC di tipo bidirezionale: il Master (PC) ogni 10ms

controlla e verifica di un corretto funzionamento del ascensore, allo stesso tempo, Operatore

pu visualizzare per ciascun ascensore con informazioni gi immagazzinati nel PC.

Le principali funzionalit da monitorare di un ascensore come esempio sono:

Posizione (Display);

allarme;

fuori piano;

ascensore in movimento;

fotocellula;

fuori servizio;

mancanza di tensione;

extra corsa.


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19Tale sistema, in conformit con l'attuale normativa nazionale ed internazionale (Direttiva

Ascensori 95/16/CE e norma UNI EN 81 -1, UNI EN 81-2), consente, inoltre, di effettuare

funzioni di tele monitoraggio e diagnostica degli impianti in tempo reale e da remoto.


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4.CONCLUSIONE

Il sistema presentato consente di ottenere le seguenti features:

Personalizzare quadri di manovra gi esistenti.

Personalizzare ascensori installati da altre societ.

Controllo remoto e monitoraggio.

Acquisizione dati da remoto

solo due fili per la trasmissione dei dati acquisiti (nella versione wired)

nessuna necessit di passare nuovi fili laddove non ce ne sia la possibilit (versionewireless)

alto numero di parametri monitorizzabili fino ad 80 I/O per ogni scheda

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