Profinet: branżowy standard komunikacji | przewodnik po automatyce (2023)

Dynamiczny rozwój systemów automatyki w zakładach przemysłowych spowodował konieczność łączenia lokalnych systemów sterowania (jednorazowych) w coraz bardziej rozbudowane i rozproszone systemy. A system rozproszony wymaga niezawodnego i bezpiecznego połączenia jego komponentów. Takie połączenie może zapewnić Profinet – branżowy standard wymiany informacji oparty na sieci Ethernet.

Początkowo do budowy rozproszonych systemów sterowania wykorzystywano proste interfejsy komunikacyjne, odziedziczone po systemach komputerowych lub systemach stosowanych w innych gałęziach przemysłu (np. lotniczym). Z biegiem czasu interfejsy te ewoluowały, tworząc nowe implementacje, aw ich warstwie fizycznej powstawały coraz bardziej złożone protokoły. Przykładem takich interfejsów były RS422/RS485 oraz protokoły takie jak Modbus RTU czy Profibus DP, Genius.

Chociaż wymienione interfejsy komunikacyjne umożliwiają łączenie systemów rozproszonych, to niestety zazwyczaj charakteryzują się specjalną strukturą połączenia (magistrala), co pociąga za sobą znaczne trudności w tworzeniu systemu. Równolegle w świecie komputerowym rozwijały się inne interfejsy, wśród których większą popularność zyskała sieć Ethernet. Niewielu pamięta, że ​​oryginalny Ethernet miał również strukturę sieci opartą na magistrali. Szybko jednak pojawiły się nowe realizacje, w których klasyczne połączenie T z magistralą zastąpiono rozwiązaniami opartymi o standard 10BaseT. Zamiast magistralnego kabla koncentrycznego zastosowano połączenia oparte na kablach typu skrętka podłączonych do centralnego koncentratora (koncentratora).

Zastosowanie koncentratora pozwoliło na swobodniejsze łączenie urządzeń (np. tworzenie połączeń w gwiazdę), ale konieczność konkurowania urządzeń o dostęp do połączenia sprawiła, że ​​sieć była niedeterministyczna, co w dużej mierze wykluczało odpowiedzialne zastosowania przemysłowe. Dopiero rozwój sieci Ethernet i urządzeń służących do jej budowy pozwolił zminimalizować te ograniczenia, a przy dobrze zaprojektowanej sieci wyeliminować je niemal całkowicie. Kolejnym krokiem było opracowanie standardowego protokołu komunikacyjnego opartego na sieci Ethernet, zaprojektowanego specjalnie do zastosowań przemysłowych. Tak narodził się Profinet.

Profinet (ProprocesFicamposiećpracować)to standard komunikacyjny gwarantujący efektywną wymianę danych w procesach przemysłowych poprzez dedykowane interfejsy, głównie pomiędzy systemami sterowania, systemami IO oraz systemami napędowymi (falowniki, serwonapędy). Do sieci można podłączyć również inne elementy urządzeń komunikacyjnych (przyciski, czujniki, konwertery, układy wyjściowe, które zostały wyposażone w obsługę tej sieci. Profinet oparty jest o Ethernet i występuje w różnych wariantach. Najczęściej stosowany Profinet IO It służy do wymiany danych pomiędzy sterownikami a systemami wejścia/wyjścia.

Urządzenia sieci Profinet

W sieci Profinet stosowane są trzy typy urządzeń:Kontroler (kontroler IO), skaner (urządzenie IO) i urządzenie monitorujące (nadzorca IO). Sterownik to urządzenie pełniące rolę układu sterującego do komunikacji i konfiguracji urządzeń w sieci Profinet. Jest to centrum danych, które cyklicznie wysyła i odbiera dane z urządzeń bazowych. Mogą to być dane procesowe oraz alarmy zgłaszane przez urządzenia podrzędne.

Skaner Profinet (urządzenie IO), zwany także wyspą, jest elementem obiektowym, który zazwyczaj zbiera sygnały dyskretne i analogowe i przesyła je do sterownika. Działa to również w drugą stronę, wyświetlając lokalnie dane odebrane ze sterownika w postaci sygnałów dyskretnych lub analogowych.

Kierownikiem IO jest zazwyczaj komputer z oprogramowaniem umożliwiającym wstępną parametryzację urządzeń Profinet oraz diagnostykę sieci.

W sieci Profinet najczęściej wykorzystywanymi elementami jest komunikacja w trybie Profinet RT (Real Time), w którym można otrzymywać cykliczny odczyt i zapis informacji z częstotliwością zależną od wydajności podłączonych urządzeń – czasy aktualizacji mogą wahać się od od 1 ms do 512 ms. Ta częstotliwość odświeżania danych jest wystarczająca dla większości procesów. Dla wielu aplikacji wskazane jest nawet celowe jej obniżenie, aby nie generować niepotrzebnego ruchu w sieci i tym samym pozostawić odpowiedni bufor na komunikację z innymi urządzeniami lub komunikację acykliczną.

Osobną grupę stanowią urządzenia wykorzystujące protokół IRT (Isochronous Real-Time). Stosowane są tu głównie urządzenia napędowe (serwonapędy), od których oczekujemy bardzo szybkiej reakcji układu oraz wysokiego poziomu dokładności ruchu. Wymiana danych w tym trybie jest możliwa w czasie poniżej 1ms. Jednak tak wysoka częstotliwość wymaga dedykowanych urządzeń sieciowych wykraczających poza „klasyczne” przełączniki ethernetowe. Wspierana sprzętowo synchronizacja czasu minimalizuje błędy dryfowania systemu do mniej niż 1us.

Wprowadzenie do urządzeń i sieci Profinet

Rozpoczęcie komunikacji w sieci Profinet rozpoczyna się od zlokalizowania urządzeń przypisanych do sterownika. Identyfikacja ta odbywa się poprzez zlokalizowanie urządzenia przy użyciu nazwy przypisanej do projektu systemu podczas tworzenia projektu. PLC, moduł komunikacyjny lub inny komponent będący sterownikiem sieci Profinet może wymieniać dane z wieloma lub wieloma urządzeniami IO (skanerami), maksymalna liczba zależy od wydajności i dostępności zasobów w używanym urządzeniu.

W bardziej zaawansowanych systemach sterownik klasy PAC może mieć zainstalowanych kilka modułów sterownika sieci Profinet, co oznacza, że ​​liczba podłączonych systemów skanerów może sięgać kilkudziesięciu, a nawet kilkuset. Sterownik Profinet wyszukuje urządzenia po nadaniu im unikalnych nazw w sieci. Fabrycznie dostarczane elementy IO często mają taką samą nazwę „Fabryka”. Przed instalacją w systemie docelowym należy je wstępnie skonfigurować poprzez przypisanie każdemu unikalnego identyfikatora. W tym celu należy skorzystać z odpowiedniego oprogramowania konfiguracyjnego z protokołem DCP (Discovery and Configuration Protocol), zdolnego do lokalizowania dostępnych urządzeń i wyświetlania ich parametrów. Wśród wyświetlanych informacji najczęściej wyświetlane są nazwa urządzenia, którą można modyfikować, adres MAC (fizyczny adres urządzenia), adres IP oraz maska ​​sieci. Możemy również otrzymać informację, czy urządzenie jest już skojarzone z kontrolerem i czy się komunikuje.

Podczas konfigurowania sterownika Profinet (który zwykle jest częścią systemu sterowania PLC, PAC lub DCS) do pracy z podłączonymi systemami skanerów, należy wybrać typ urządzenia I/O (poprzez wybór producenta i modelu) oraz skonfigurować parametry . Operację tę można przeprowadzić poprzez ręczne wybranie elementów składających się na system lub poprzez przeciągnięcie wykrytych urządzeń I/O do oprogramowania skanującego sieć i tym samym dołączenie ich do projektu. Opis urządzenia można znaleźć w plikach GSDML dostarczonych przez producenta urządzenia. Zawiera informacje o regulowanych parametrach, w tym informacje o interfejsie urządzenia oraz konfigurowalnych modułach wejść/wyjść i trybach, w których mogą pracować. Interfejs i podłączone do niego moduły I/O są konfigurowane poprzez konfigurację gniazd i podslotów.

Po skonfigurowaniu parametrów wyspy określamy parametry wymiany danych z wyspą, w tym interwał cyklicznej wymiany danych. Należy zaznaczyć, że każde urządzenie podłączone do kontrolera może mieć swój własny zasięg. Przy dobrze zaprojektowanych sieciach ważne jest, aby wybrana częstotliwość była optymalna: ani za niska (aby dane były aktualne), ani za wysoka (aby niepotrzebnie nie obciążać całej sieci i tym samym zostawiać miejsca na przyszłość). rozbudowę instalacji lub umożliwienie komunikowania się innych urządzeń w istniejącej strukturze sieci bez narażania na szwank niezawodności komunikacji w sieci Profinet).

Topologie sieci Profinet

Najprostszy system Profinet składa się z dwóch urządzeń: sterownika i skanera. Urządzenia mogą być bezpośrednio ze sobą połączone. Kierownik musi być zalogowany podczas początkowej fazy konfiguracji, ale może zostać wylogowany później. Elastyczność Profinetu zobaczymy, gdy liczba podłączonych urządzeń będzie większa. Rozbudowując system możemy realizować połączenia łańcuchowe, gwiazdowe lub mieszane.

Między obsługiwanymi strukturami połączeń można również użyć połączenia pierścieniowego. Jednak połączenie pierścieniowe wymaga, aby wszystkie urządzenia działające w połączeniu pierścieniowym obsługiwały protokół MRP (Media Redundancy Protocol). Jedno z podłączonych urządzeń musi również pracować jako nadzorca pierścienia, pozostałe muszą pracować w trybie klienta.

Połączenie pierścieniowe zapewnia większą niezawodność sieci, ponieważ zrywając jedno z połączeń urządzenia, mogę przesyłać dane alternatywną trasą. Należy również zauważyć, że korzystanie z urządzeń obsługujących protokół MRP jest znacznie wydajniejsze niż klasyczne protokoły redundancji połączeń, takie jak STP czy RSTP.

W skład urządzeń tworzących pierścień może wchodzić sterownik sieci Profinet, ale pierścień może składać się również z innych urządzeń, np.

Elastyczność rozbudowy sieci Profinet to cecha, która znacznie różni ją od klasycznych rozwiązań magistralowych, gdzie po wdrożeniu systemu, konieczność dodawania kolejnych urządzeń powoduje konieczność zaprojektowania całego systemu od podstaw.

Należy również zauważyć, że ruch sieciowy z innych protokołów Ethernet może być dozwolony w sieci Profinet. Musi to być wykonane z dużą czułością i kontrolą obciążenia sieci, ale w dobrze zaprojektowanym systemie warstwa sieciowa może być wykorzystana do połączenia funkcjonalności, które wymagałyby niezależnie routowanych magistrali na przykład w przypadku sieci szeregowych.

Systemowo nadmiarowy Profinet

Profinet obsługuje również systemy redundantne. Jednym z rozwiązań jest wspomniana już redundancja połączeń wewnątrz pierścienia. Ponadto specyfikacja Profinet przewiduje również inne konfiguracje, które zwiększają niezawodność instalacji. Jednym z nich jest komunikacja skanera (urządzenia IO) ze sterownikami pracującymi w systemie redundancyjnym. Taki system daje możliwość sterowania procesem z jednego (aktualnie aktywnego) regulatora iw przypadku awarii przełączenia sterowania na regulator rezerwowy. Zarówno redundantne kontrolery, jak i skaner pracują na jednym interfejsie iw jednej sieci. Urządzenia obsługujące tę konfigurację są określane jako urządzenia Profinet z interfejsem klasy S2. Należy jednak zaznaczyć, że to rozwiązanie jest opcjonalne i nie wszystkie urządzenia Profinet obsługują ten tryb pracy (podobnie jak sieć pierścieniowa z MRP).

Inne tryby redundancji to R1 i R2. W trybie R1 dwa niezależne sterowniki mogą komunikować się z wyspą Profinet (skanerem), o ile urządzenie realizujące tę funkcję posiada dwa niezależne interfejsy Profinet. Tryb R2 umożliwia podłączenie redundantnych kontrolerów poprzez dwa niezależne interfejsy skanera.

okablowanie profinetowe

Typowym kablem używanym do budowy sieci Profinet jest standardowa skrętka kategorii 5E lub lepszej z wtykiem RJ45 lub innym (np. M12) oraz dwiema parami żył o parametrach zapewniających poprawną transmisję sygnału. Chociaż wiele dostępnych urządzeń Profinet obsługuje 100 Mbit/s, dostępne są również rozwiązania kontrolerów i IO (skanerów) obsługujące 1 Gbit/s. Podobnie sytuacja wygląda z obsługiwanymi interfejsami. Istnieją również urządzenia, które zapewniają łączność sieciową Profinet przez sieć światłowodową, które mają zintegrowany interfejs do złącza lub gniazda światłowodowego do zainstalowania wkładki SFP, która umożliwia użycie kabli światłowodowych.

Streszczenie

Profinet to nowoczesny standard komunikacji przemysłowej, który oferuje dużą elastyczność, łatwą konfigurację oraz dostęp do stale rosnącej listy elementów wykonawczych, które można zastosować w sterowniku. Skalowalność systemu opartego na Profinet – po prostu poprzez dodawanie kolejnych elementów – to duża zaleta spełniająca wymagania nowoczesnych systemów sterowania. Rozwiązania oparte na wytycznych Przemysłu 4.0 muszą charakteryzować się możliwością szybkiego dostosowania do zmieniających się wymagań i warunków rynkowych. Dzięki wykorzystaniu sieci Profinet takie zmiany w zakresie komunikacji przeprowadzane są szybko i łatwo.