PROFINET to sieć przemysłowa oparta na standardzie Ethernet. Najnowsze technologie linii i instalacji wykorzystują PROFINET do komunikacji pomiędzy urządzeniami systemu sterowania.
Gdy realizowałem pierwsze projekty, w których trzeba było zastosować PROFINET, wykorzystywałem głównie swoją wiedzę z zakresu sieci Ethernet. Informacje na temat ustawień urządzenia i sieci zostały zaczerpnięte z instrukcji różnych producentów. Szukałem też gotowych przykładów połączeń. „Przykład” w Internecie lub filmach z YouTube, aby skonfigurować komunikację między urządzeniami. Po jakimś czasie oczywiście chciałem wiedzieć jak działa wymiana danych w sieci PROFINET, jak zbudowany jest szkielet Ethernet, procedury diagnostyki sieci, protokół Ethernet itp.
Zaznaczam, że informacje przedstawione w artykule opierają się wyłącznie na moich poszukiwaniach, głównie w Internecie, oraz testach, które udało mi się przeprowadzić w praktyce na dostępnych urządzeniach. Poza tym nie jestem z wykształcenia informatykiem i nie odbyłem żadnego "profesjonalnego" szkolenia i być może dla niektórych będzie to "laickie" podejście do tematu. Ten artykuł ma na celu wprowadzenie Cię w podstawy i koncepcje PROFINET.
Urządzenia
Do testów wykorzystano urządzenia Simatic oraz IFM. Można jednak przeprowadzać testy z urządzeniami PROFINET różnych producentów. Połączenia sieciowe elementów systemu automatyki przedstawiono na poniższym rysunku.
Poniżej znajdziesz tabelę z podstawowymi parametrami sieciowymi urządzeń wprowadzonych podczas nawiązywania połączenia.
PLC, wyspa I/O oraz połączenia komunikacyjne zostały skonfigurowane w środowisku TIA Portal.
Programy do konfiguracji urządzeń PROFINET
Dostępnych jest kilka programów, które mogą pomóc w konfiguracji, diagnostyce, uruchamianiu i konserwacji sieci PROFINET.
USTAWIENIA PROFINETU
Oprogramowanie skanujące PROFINET: bardzo intuicyjne w obsłudze. Dzięki temu oprogramowaniu możesz
- Zobacz listę urządzeń w sieci z podstawowymi informacjami (adres IP, adres MAC, producent, nazwa);
- Ustaw adres IP, maskę, bramę;
- Ustaw nazwę PROFINET;
- Aktywuj sygnalizację/identyfikację urządzenia, np. B. Miganie diod urządzenia, miganie wyświetlacza centrali itp.;
- Przywróć ustawienia fabryczne (uwaga: nie wszystkie urządzenia można w ten sposób przywrócić do ustawień fabrycznych, np. sterownik PLC);
- otworzyć stronę internetową.
Poniżej znajdują się zrzuty ekranu przedstawiające funkcje oprogramowania PROFINET SET.
- [1] Wybór interfejsu sieciowego,
- [2] filtr listy pozycji,
- [3] Spis przedmiotów.
PRONETA
Oprogramowanie skanuje również sieć PROFINET i ma takie same możliwości jak program PROFINET-SET (wyświetlanie, zmiana adresów i nazw, identyfikacja, otwieranie strony WWW itp.).
PRONETA posiada funkcję rysowania topologii sieci (w tym celu urządzenia muszą posiadać odpowiednią klasę kompatybilności, co najmniej CC-B). Niestety, jeśli w sieci używany jest prosty przełącznik niezarządzalny, topologia sieci nie jest rozpoznawana poprawnie. Poniżej znajduje się przykład poprawnie zidentyfikowanej topologii sieci.
urządzenie LR– Oprogramowanie do konfiguracji urządzeń IO-LINK. Oprogramowanie z bardzo przejrzystym interfejsem. Pozwala skonfigurować podstawowe parametry sieciowe mastera IO-Link: nazwę PROFINET, adres IP, maskę itp.
Możesz także skonfigurować czujniki IO-Link podłączone do urządzenia nadrzędnego (np. progi alarmowe, zakresy czujników itp.).
PROFINET-Podstawowe informacje
Profinet to otwarty system komunikacyjny stosowany w systemach automatyki. Za pomocą standardu PROFINET można przesyłać:
- Dane niekrytyczne czasowo: konfiguracja, parametry;
- dane wrażliwe na czas – komunikacja w czasie rzeczywistym RT;
- Dane z synchronizacją czasową - komunikacja izochroniczna w czasie rzeczywistym IRT.
Cykliczna wymiana danych z PROFINET jest komunikacją deterministyczną: Ma zdefiniowany cykl, w którym odbywa się wymiana danych. Dla sieci RT wymiana może odbywać się w cyklu 1, 2, 4, ... 512 ms (najszybciej 1 ms, najwolniej 512 ms). Dla izochronicznego trybu IRT - powyżej 1ms - 500us, 250us, 125us.
Urządzenia w sieci PROFINET pracują w trybie full-duplex: full-duplex z prędkością 100 Mb/s. Profinet wykorzystuje między innymi protokoły TCP/IP i standardy IT.
Komunikacja PROFINET jest uruchamiana przez TCP/UDP, a diagnoza jest wysyłana acyklicznie. Jednocześnie cyklicznie przesyłane są dane procesowe.
Przełącznik
Ważnym elementem sieci PROFINET są przełączniki/przełączniki. Służą do kierowania strumieni danych do urządzeń. Przełączniki mają tablicę FBD, w której przechowywane są adresy MAC urządzeń. Kolejność adresów zależy od kolejności ramek otrzymanych ze źródeł danych. Jeżeli urządzenie nie odpowiada na dane wysyłane przez switch, jego adres jest usuwany z tablicy FBD. Przesyłane strumieniowo dane są regularnie wysyłane w celu odkrycia nowych urządzeń.
Dzięki zastosowaniu przełączników w sieci nie dochodzi do kolizji danych: odpowiednio buforują i kierują pakiety danych.
Przełączniki mogą pracować według dwóch algorytmów:
- Capture/Buffering (Store and Forward) – polega na przechowywaniu całych ramek, uszkodzone ramki z niewłaściwą sumą kontrolną są odrzucane, co może powodować opóźnienia;
- Frame Cut (Cut Throught): to wysyłanie danych po otrzymaniu adresu docelowego, bardzo szybki transfer ramek.
https://iautomatyka.pl/switch-zarzadzalny-vs-switch-niezarzadzalny-roznice-podobienstwa-zadania/
Rodzaje urządzeń w sieci PROFINET
W sieciach PROFINET występują trzy rodzaje urządzeń:
- Kontroler PROFINET IO (np. PLC): odpowiada za wymianę informacji z urządzeniami polowymi, steruje obiektem na podstawie informacji odbieranych i wysyłanych do urządzeń polowych, zarządza komunikacją z urządzeniem IO.
- Urządzenie PROFINET IO (np. wyspa IO): wymienia dane z kontrolerem IO, pobiera dane z obiektu i przesyła je do kontrolera IO, steruje elementami wykonawczymi na podstawie danych przesłanych przez kontroler.
- PROFINET IO nadzorca (np. programator, komputer ze środowiskiem programistycznym) – urządzenie do parametryzacji i diagnostyki sieci PROFINET;
Model LEWY/PRAWY
Modele ilustrują, w jaki sposób protokoły są wykorzystywane do przygotowania danych do transmisji. Warstwowy model OSI/ISO opisuje, w jaki sposób dane przepływają z jednej aplikacji do drugiej. Dane są przesyłane między warstwami przy użyciu różnych protokołów.
Przed wysłaniem dane są „enkapsulowane” z innymi danymi i przesyłane do głębszych warstw – proces enkapsulacji. Wyodrębnianie danych z niższych warstw i wczytywanie ich z powrotem do aplikacji nazywa się dekapsulacją.
PROFINET jest otwartym systemem komunikacyjnym. Warstwa aplikacji nie ma zdefiniowanych protokołów, więc każda firma (organizacja) może opracować własną aplikację.
Model OSI/ISO dla PROFINET pokazano na poniższym rysunku.
TCP/UDP to niezawodny i zorientowany na połączenie protokół. W protokole tym sprawdzana jest poprawność przesyłanych danych. Jest przeznaczony do zadań, które nie są krytyczne czasowo, np. konfiguracja połączenia, serwer WWW.
Przy komunikacji RT (Real Time) konieczne jest jak najszybsze przesyłanie danych i jak najmniejsze obciążenie procesorów urządzeń. Przepustowość transmisji została podwojona dzięki zastosowaniu sieci Fast Ethernet 100 Mb/s w standardzie PROFINET z konstrukcją full duplex (jednoczesne wysyłanie i odbieranie). W kanale RT pominięto kilka warstw komunikacji, zmniejszając długość ramek, czas ich przygotowania oraz uptime stosu komunikacyjnego. Kanał RT został przygotowany w oparciu o drugą warstwę Ethernet - cykliczną wymianę danych.
kanały komunikacji
PROFINET umożliwia komunikację przez trzy kanały TCP/UDP, RT i IRT.
- Kanał TCP/UDP jest niedeterministyczny. Kanałem tym przesyłane są dane do nawiązania połączenia, parametryzacji stacji urządzeń IO, dane z serwera www, zainicjowana wymiana danych, przesyłane parametry oraz dane diagnostyczne;
- Kanał RT: cykliczna wymiana danych, transmisja alarmów, monitoring komunikacji. Ten kanał również wykorzystuje protokół DCP: przydziela nazwy i adresy stacji;
- Kanał IRT: deterministyczna wymiana danych w czasie rzeczywistym, synchroniczna wymiana danych procesowych z odchyleniem <1us, praca z wykorzystaniem makrocykli.
Protokół TCP/IP nie jest protokołem wydajnym: dane są dzielone na pakiety, a następnie składane przez odbiorcę (proces przygotowywania, analizowania, odbierania i składania danych wydłuża czas cyklu sieciowego). W kanale RT dane nie są dzielone, więc czas cyklu jest krótszy.
Inicjalizacja komunikacji
Wymiana danych procesowych pomiędzy sterownikiem IO a urządzeniem IO jest możliwa poprzez kanały komunikacyjne AR (Application Relation). Kontroler IO inicjalizuje kanał na podstawie konfiguracji w środowisku programistycznym (TIA Portal). AR może zawierać kilka CR (relacji komunikacyjnych).
Proces inicjalizacji komunikacji można podzielić na fazy:
- Kontrola dostępności: Jeśli urządzenie nie odpowiada na żądania, kontroler IO okresowo sprawdza jego dostępność;
- Sprawdzanie nazw i adresów IP: Jeśli urządzenie IO odpowiada odpowiednią nazwą, przydzielany jest mu odpowiedni adres projektu poprzez protokół DCP;
- Ustanowienie kanału komunikacyjnego AR – z wykorzystaniem protokołu UDP/IP;
- inicjowanie relacji komunikacyjnej CR;
- Transfer danych procesowych - cykliczna wymiana danych RT;
- Wysyłanie alarmów i diagnostyki - acykliczna wymiana danych.
Przypisanie adresu IP urządzenia IO - protokoły DCP i ARP
Protokół DCP(Discovery and Configuration Protocol) — używany przez narzędzie inżynierskie i sterownik do wykrywania urządzeń, identyfikowania informacji o urządzeniu i konfigurowania ustawień urządzenia. DCP jest zwykle używany w systemach PROFINET do zarządzania nazwami i adresami sieciowymi, ponieważ każdemu urządzeniu PROFINET przypisywana jest unikalna nazwa.
Protokół ARP(Address Resolution Protocol) — używany do zarządzania adresami IP powiązanymi z adresami MAC.
Oto jak działa sprawdzanie nazwy i adresu IP: Jeśli urządzenie IO odpowiada odpowiednią nazwą, przydzielany jest mu odpowiedni adres projektu za pośrednictwem protokołu DCP. Przed wprowadzeniem adresu IP sprawdź, czy adres już istnieje w sieci.
Kanały komunikacji AR i relacje komunikacyjne CR
Po uruchomieniu systemu sterownik IO rozpoczyna komunikację na podstawie danych konfiguracyjnych. Kontroler IO ustanawia połączenia komunikacyjne (CR) i relacje (AR). Po nawiązaniu połączeń komunikacyjnych dane procesowe mogą być wymieniane cyklicznie.
Łącze komunikacyjne CR jest ustawione dla kanału komunikacyjnego AR. Istnieją 3 rodzaje połączeń w ramach relacji komunikacyjnej (RK):
- IO-Data: połączenie do transmisji danych procesowych;
- Protokół danych: łącze do transmisji danych konfiguracyjnych;
- Połączenie alarmowe do wysyłania alarmów.
wymianę danych procesowych
Cykliczne dane I/O są przesyłane kanałem danych I/O bez potwierdzenia. Dane są wymieniane z określonym czasem cyklu, który można ustawić dla każdego urządzenia IO. Połączenie jest monitorowane w wielokrotnościach czasu cyklu.
Schemat wymiany danych procesowych podczas komunikacji danych IO.
Dane procesowe zawierają bajty stanu:
- IOCS - status konsumenta IO;
– IOPS: stan dostawcy we/wy.
Tryb IRT (izochroniczny czas rzeczywisty)
Tryb IRT jest używany w aplikacjach, w których wymagana jest zsynchronizowana transmisja danych i wymagany jest czas aktualizacji poniżej 1ms. Są to głównie aplikacje do sterowania urządzeniami sterującymi ruchem.
Podstawową zasadą trybu IRT jest zarezerwowanie kanału, na którym dane mają najwyższy priorytet.
Dane IRT są przesyłane z najwyższym priorytetem. Następnie przesyłane są dane w trybie RT, a na końcu dane TCP/IP (najniższy priorytet). Maksymalna alokowana część danych IRT/RT w cyklu wynosi 60%.
Synchronizacja odbywa się za pomocą protokołu PTCP, przy czym wartość czasu jest przesyłana ze stacji kontrolera IO do urządzenia IO z odpowiednią korektą przez czas transmisji.
Należy pamiętać, że do trybu IRT wymagane są odpowiednie urządzenia klasy CC-C, np. dostępne są specjalne przełączniki. Klasy urządzeń CC-A i CC-B nie obsługują trybów IRT.
Marco
Poniżej przedstawiono podstawową strukturę sieci Ethernet.
Pole TYP może zawierać długość ramki - LEN lub typ - TYP:
– Wartość pola TYP <0600HEX – pole wskazuje długość ramki. – wartość pola TYPE >=0600HEX – pole wskazuje typ ramki.
Wartość TYPE-8892HEX oznacza, że podana ramka jest ramką PROFINET.
Inne dziedziny środowiska PROFINET.
Rozszerzona struktura PROFINET jest pokazana poniżej.
Rozszerzona struktura PROFINET obejmuje również:
- Informacje o priorytecie (PROFINET używa priorytetów 5 i 6);
- Tagi VLAN.
Badanie ruchu sieciowego
PROFINET nie może być „diagnozowany” jak PROFIBUS. W sieci PROFINET pomiary ruchu muszą być wykonywane we właściwym miejscu, ponieważ używane są przełączniki kontrolujące transfer danych. Dlatego do wykonania pomiaru we właściwym miejscu wymagana jest znajomość topologii sieci. Ruch danych za kontrolerem IO jest analizowany częściej.
Analiza ruchu sieciowego z topologią gwiazdy.
Analiza ruchu w sieci o topologii liniowej.
Sterownik IO zarządza wymianą danych w sieci PROFINET, dlatego sieć jest najbardziej obciążona w tych punktach: Wszystkie dane przechodzą między sterownikiem IO a urządzeniami IO danej sieci.
Należy również użyć odpowiedniego urządzenia z oprogramowaniem do badania ruchu sieciowego:
- Urządzenie TAP (Test Access Point) – specjalistyczne urządzenie do zbierania informacji, zwykle wspomagane oprogramowaniem, które pozwala w profesjonalny sposób śledzić ruch w sieci.
- zarządzany przełącznik - z funkcją dublowania portówPort lustrzany) – możliwość obserwowania ruchu na jednym porcie poprzez „kopiowanie” go do innego portu.
Zaleta TAP jest oczywista, ponieważ główną funkcją tego urządzenia jest analiza ruchu sieciowego i parametrów. Natomiast funkcją przełącznika jest kierowanie ruchu strumienia danych do urządzeń. W obciążonych sieciach może wystąpić problem z przekierowaniem ruchu do portu lustrzanego.
Dzięki urządzeniom TAP można określić dodatkowe parametry jakościowe, dzięki którym możliwa jest ocena stanu sieci:
- Jitter: Odchylenie od założonego czasu aktualizacji w %;
- Szybkość wysyłania: Liczba pakietów PROFINET na pakiet TCP/IP;
- obciążenie sieci.
Korzystanie ze switcha wiąże się przede wszystkim z korzystaniem z urządzeń, do których dostęp ma praktycznie każdy. Możesz także użyć przełącznika do celów edukacyjnych.
Analiza ruchu danych w sieci PROFINET: Wykorzystanie switcha
Zarządzany przełącznik z funkcją dublowania portów umożliwia śledzenie ruchu sieciowego. Przede wszystkim należy poprawnie skonfigurować porty, na których będzie badany ruch sieciowy.
Zaloguj się na urządzeniu.
Umożliwia kopiowanie danych z portu 1 do portu 4.
- Mirror Port (Port #1) — port, z którego zostaną skopiowane dane;
- Monitor Port (Port #4) — Port, z którym łączy się urządzenie w celu analizy ruchu sieciowego, tj. H. komputer z oprogramowaniem Wireshark.
Analiza ruchu w sieci PROFINET z urządzeniami Indu-Sol
Analiza i ocena parametrów jakościowych sieci Profinet jest możliwa m.in. poprzez wykorzystanie przez firmę dedykowanych narzędzi.Indu-Sol. Niemiecki magnat od wielu lat specjalizuje się w produkcji rozwiązań diagnostycznych dla sieci przemysłowych. Jako jedna z nielicznych firm na świecie posiada w swoim portfolio kompleksowe rozwiązania dla sieci Profinet, od planowania i uruchomienia po szybką diagnostykę i stały monitoring. Na szczęście nie musimy jechać na zachód, aby zgłębiać wiedzę czy wybierać odpowiednie produkty. rzecznik prasowy firmyIndu-Soljest na polskim rynkuKontrola estrowa. Jeśli na jakimkolwiek etapie masz problemy z siecią Profinet, najlepiej zasięgnąć porady ekspertów. Jednym z wyróżniających się rozwiązań do szybkiej analizy i diagnostyki sieci jest urządzeniePN-INspektory-OprogramowaniePROscan aktywny.
Ocena parametrów jakościowych - diagnostyka sieci
Używanie odpowiedniego narzędzia jest ważne dla prawidłowej diagnostyki sieci. PN-INspektor w prosty i przejrzysty sposób wyświetla wszystkie parametry jakościowe, co umożliwia szybką ocenę stabilności i diagnozę sieci. Sterownik PLC nie analizuje ruchu w sieci, informuje nas jedynie o utracie komunikacji z określonym urządzeniem polowym lub modułem. Tylko znajomość parametrów jakościowych sieci pozwala szybko i łatwo znaleźć przyczyny awarii oraz ocenić stabilność sieci, która jest najważniejsza dla przewidywania zakłóceń. Możemy wyróżnić pięć najważniejszych parametrów jakościowych, które obrazują aktualny stan komunikacji:
- Poczuj się zdenerwowany– Odchylenie rzeczywistego czasu aktualizacji od zadeklarowanego
- szczeliny w kadrze– zagubione telegramy
- ramka błędu– uszkodzony lub niekompletny pakiet informacyjny
- współczynnik obciążenia– Powiązania pakietów Profinet z innymi, np. np. TCP/IP
- obciążenie sieci– obciążenie sieci
Wszystko to i wiele więcej widoczne jest w przejrzystym interfejsie po podłączeniu do komputera.
Interfejs WWW urządzenia PN-Inspector
Widok urządzeń z niestabilną komunikacją PROFINET
Rzeczywista topologia, diagnostyka portów i szczegóły urządzenia
Nie znasz rzeczywistej topologii swojego systemu? Nie wiesz, do których portów podłączone są Twoje urządzenia? Nie pamiętasz wersji oprogramowania układowego i sprzętu? Oprogramowanie specjalnie dla sieci Profinet odpowiada na te i wiele innych pytańPROscan aktywny. Wystarczy podłączyć komputer do dowolnego wolnego portu w przełączniku. Program przeszukuje naszą sieć w poszukiwaniu szczegółowych informacji o podłączonych urządzeniach. Oprogramowanie aktywnie odpytuje wszystkie urządzenia podłączone do sieci, dlatego oprócz szczegółowych danych o urządzeniach otrzymujemy również informacje o konkretnych portach. Dzięki danym diagnostycznym m.in B. liczbę uszkodzonych lub odrzuconych pakietów informacyjnych na określonym porcie, szybko lokalizujemy potencjalny punkt błędu.
Oprogramowanie współpracuje z inspektorem NT PROFINET, dzięki któremu z łatwością zlokalizujemy w topologii urządzenia o nieprawidłowych parametrach jakościowych.
interfejs programuPROscan aktywny
Analiza ruchu danych w sieci PROFINET – przykłady
Poniżej przedstawiono schemat systemu automatyki, w którym badany jest ruch sieciowy. Przełącznik został skonfigurowany do kopiowania ruchu z portu 1 do portu 4. Komputer z programem Wireshark został podłączony do portu 4. Dla ułatwienia analizy przy każdym urządzeniu umieszczono informację o jego adresie MAC oraz nadanym numerze IP.
Przykład 1 - inicjalizacja komunikacji - kontroler IO, urządzenie IO (S7-1500, ET200SP)
Poniżej znajduje się przykład ramek odczytu podczas inicjalizacji komunikacji między kontrolerem IO (S7-1500) a urządzeniem IO (ET200SP). Odczytaj logi DCP i ARP: zgłoś urządzenie w sieci, sprawdź, czy adres IP już istnieje w sieci, nawiąż połączenie.
Przykład 2 - cykliczna wymiana danych - kontroler IO, urządzenie IO (S7-1500, ET200SP)
Poniżej przedstawiono przykład cyklicznej wymiany danych między kontrolerem IO a urządzeniem IO.
Przykład 3 - cykliczna wymiana danych - kontroler IO, urządzenie IO (S7-1500, IFM)
Poniżej przykład cyklicznej wymiany danych pomiędzy sterownikiem a urządzeniem IFM. Cykl odczytu danych (do celów prezentacyjnych) został zmieniony na 16 ms.
Odczyt danych z urządzenia z cyklem 16 ms - poprzednia konfiguracja.
Przykład 4 - cykliczna wymiana danych - IO controller, IO device (S7-1500, ET200SP)
Interpretacja frameworka PROFINET: przesyłanie danych ze sterownika do kasety IO (konfiguracja wyjść binarnych).
Przykład 5 - cykliczna wymiana danych - urządzenie IO, kontroler IO (ET200SP, S7-1500)
Interpretacja frameworka PROFINET: przesyłanie danych z kasety IO do sterownika (odczyt wejść binarnych).
Przykład 6 - cykliczna wymiana danych - kontroler IO, urządzenie IO (S7-1500, IO-LINK IFM)
Interpretacja frameworka PROFINET – transmisja danych z IFM IO-Link do S7-1500 – odczyt wartości czujnika pomiaru odległości (porównanie wartości frameworka i programu w TIA Portal).
Streszczenie
Mam nadzieję, że w przystępny sposób przedstawiłem podstawowe informacje o protokole komunikacyjnym PROFINET. Mam również nadzieję, że artykuł zainspiruje Cię do podzielenia się własnymi doświadczeniami i poszerzenia wiedzy. Zdobycie umiejętności i doświadczenia w analizie ramek komunikacyjnych jest przydatne do rozwiązywania problemów komunikacyjnych w sieci PROFINET.
Artykuł został nagrodzony wKonkurs iAutomatyka– edycja kwiecień 2020. NagrodaLEGO MINDSTORMS + gama gadżetówzapewnia ambasador konkursu, firmaPIEPRZ + FUCHS..