Profinet – komunikacja ethernetowa w czasie rzeczywistym w środowisku przemysłowym

Coraz bardziej rosną wymagania stawiane efektywności ekonomicznej maszyn i instalacji. Coraz krótsze cykle żywotności eksploatacyjnej maszyn oraz wzrastająca ich różnorodność skracają czas potrzebny do osiągnięcia zwrotu z inwestycji. W tym zakresie Profinet oferuje użytkownikowi ukierunkowane na przyszłość rozwiązanie w zakresie automatyki opierającej się na Ethernecie. 

W roku 1990 okres użytkowania danego modelu samochodu osobowego wynosił 9,5 roku, a na jego jednej podstawie konstruowano aż osiem wersji pojazdu – w tym takie wersje jak limuzynę, kombi oraz cabrio. Obecnie produkuje się 14 wariantów jednego modelu o średnim okresie użytkowania wynoszącym 6,5 roku.

Z tego też względu koszty rozwojowe oraz koszty inżynieryjne, które stanowią największą część kosztów pośrednich, jak również struktury komunikacyjne w obrębie danego przedsiębiorstwa wywierają wielki wpływ na postrzeganie kosztów ogólnych dotyczących urządzeń produkcyjnych.

Możliwości komunikacyjne oraz integracyjne komponentów automatycznych stają się kluczowym czynnikiem podczas określania potencjałów oszczędnościowych przedsiębiorstwa. Modernizacja mechaniki, elektroniki oraz technologii automatycznej wymaga rozwiązań z zakresu automatyki, które byłyby wydajne, elastyczne oraz miały zdolności komunikacyjne. Produkty z zakresu urządzeń komputerowych oraz oprogramowania muszą wspomagać spełnianie stawianych wymagań.

Podążanie za tworzeniem wartości

Zintegrowanie poszczególnych części maszyn oraz instalacji w jedno całościowe rozwiązanie technologiczne jest w dzisiejszych czasach często ograniczone przez drogie systemy łączące oraz służące do wymiany danych pomiędzy pojedynczymi jednostkowymi rozwiązaniami. Kosztowny jest również sam dostęp do danych związanych ze sterowaniem procesami, które są konieczne w celu osiągnięcia optymalnego rozplanowania zlecenia oraz samego przebiegu produkcji (rys. 1.). 

Rys. 1. Jako jednolita struktura sieciowa Ethernetłączy pojedyncze rozwiązania wzdłuż łańcucha tworzenia wartości

W tym zakresie pomocą służy Ethernet. Od pewnego czasu zajmuje on już stałe miejsce w komunikacji biurowej, a obecnie znajduje również zastosowanie w komunikacji przemysłowej. Do celów ogólnie przyjętej komunikacji tego rodzaju rozwiązanie jako rozwiązanie standardowe musi zostać jednakże jeszcze odpowiednio dostosowane. Celem jest zatem stworzenie spójnego oraz płynnego systemu sieciowego łączącego ze sobą wszystkie części maszyn i urządzeń oraz stanowiącego połączenie z powiązanymi płaszczyznami planowania produkcji oraz zarządzania przedsiębiorstwem.

Kolejną możliwością redukcji czasu planowania oraz uruchamiania maszyn jest ponowne wykorzystanie zaprojektowanych już części maszyn oraz ich funkcji. Części te jako sprawdzone komponenty technologiczne lub jako jednostki mechatroniczne można zestawić ze sobą w formie jednego całościowego rozwiązania. W tym zakresie decentralizację należy wspomóc poprzez wykorzystane sieci oraz narzędzia oprogramowania. Jako przyszłościowe będzie można określić dane rozwiązanie, które ma jednostki funkcyjne połączone ze sobą sieciowo poprzez Ethernet, gdy będzie ono umożliwiało zintegrowanie powszechnie używanych rozwiązań w zakresie automatyki oraz zostanie poparte przez wiodących na całym świecie producentów technologii automatycznej. 

 

Modularyzacja redukuje czas uruchamiania

Czas uruchamiania można skrócić, jeśli stosowane są uprzednio sprawdzone maszyny oraz instalacje, które mogą być z sobą połączone w formie jednego rozwiązania technologicznego. Poprzez wyposażenie w Profinet-CBA (Component Based Automation) moduły dysponują własnym, niezależnie pracującym systemem sterowania przebiegiem procesów. Podłączenie modułów następuje poprzez edytor przełączania, któremu należy udostępnić funkcje jednostek poprzez specjalne pliki. Są one właściwe dla danych urządzeń lub są generowane dynamicznie z narzędzia oprogramowania. Komunikacja pomiędzy rozproszonymi systemami sterowania jest kierowana w sposób nadrzędny oraz informowane są o tym uczestniczące w niej procesy. Niezależnie od tego modularyzacja oraz transmisja danych pomiędzy procesami a zdecentralizowanymi systemami sterowania w rozwiązaniach automatyzacyjnych Phoenix Contact realizowana jest poprzez standardowe elementy komunikacyjne IEC-61131. Ten standard z możliwością ogólnego zastosowania prowadzi komunikację poprzez standardowe łącza ethernetowe i może być stosowany niezależnie od systemów sterowania Profinet-CBA.

<//td></><//><//tr></><//><//tbody></><//><//table></><//>

Eternet kroczy w kierunku automatyki

Do zalet, które spowodowały obszerne wykorzystanie Ethernetu w biurach, należą rozpowszechniona na całym świecie: standaryzacja usług, transfer dużych ilości danych oraz dostęp do standardowych komponentów i narzędzi. Wymogi automatyzacyjne stawiane cyklom czasowym związanym z aplikacjami oraz niskim wartościom czasu typu jitter są tylko w nieznacznym stopniu uwzględniane w protokołach standardowych, takich jak: TCP/IP, UDP czy IP, jak również w odpowiednio wyposażonych komputerach typu PC, w systemach sterowania procesami czy w elementach infrastrukturalnych. Z tego też względu wielu producentów oraz organizacji pracuje nad rozszerzonymi protokołami ethernetowymi, które spełniałyby wymogi stawiane w zakresie komunikacji przemysłowej (rys. 2.). 

Rys. 2. Profinet obejmuje wymagania czasowe każdej aplikacji, przy czym równolegle można eksploatować trzy kanały: TCP/IP, RT oraz IRT

Profinet opiera się na standardach

Protokół ethernetowy Profinet stanowi podstawę kompleksowego założenia mającego na celu modernizację techniki automatycznej bazującej na Ethernecie, a przebiegającej z płaszczyzny sterowania do urządzenia polowego. Dotyczy to wszystkich zakresów komunikacji polowej – od technologii procesów przetwórczych, poprzez nieznaczny stopień automatyki w maszynach i urządzeniach, aż po rozwiązania napędzające.

W tym celu Profinet stawia na standardy. Ze względu na przeprowadzanie standardowego ethernetowego transferu określonej jednostki danych (frame) do Profinetu można włączyć w sposób tradycyjny również urządzenia, które nie wspomagają protokołu. Diagnostykę przeprowadza się za pomocą protokołu SNMP (Simple Network Management Protocol), uznanego protokołu służącego do zarządzania siecią. Nawiązanie połączenia z urządzeniami następuje poprzez kanały TCP/IP oraz RCP (Remote Procedure Call), natomiast identyfikacja urządzeń przeprowadzana jest poprzez nazwę urządzenia na podstawie DNS (Domain Name Services). Synchronizacja czasowa odpowiada międzynarodowym standardom IEC 61588: 2004-09.

To zestawienie można dowolnie rozwijać, ale jego zaletę można rozpoznać już w tym miejscu: tylko dzięki zachowaniu standardów możliwe jest optymalne włączenie protokołu do otoczenia ethernetowego. Ponadto Profinet może wykorzystać dalszy rozwój otoczenia ethernetowego do swojej własnej komunikacji. 

 

Wymagania dotyczące czasu rzeczywistego

 

Dzięki RT (Real Time) oraz IRT (Isochronous Real-Time) Profinet udostępnia koncepcje w zakresie komunikacji w czasie rzeczywistym, które dostosowane zostały do wymogów różnych klas urządzeń. Dane procesowe w zakresie czasu rzeczywistego w prostych urządzeniach wejściowych / wyjściowych są obsługiwane za pomocą Profinet-IO w zwykłym trybie zdecentralizowanych urządzeń peryferyjnych. Urządzenia oraz systemy o niskich wymaganiach w zakresie czasu rzeczywistego poniżej 10 ms można przyłączyć w sposób elastyczny poprzez RT. Odpowiada to klasie wydajności dzisiejszych rozwiązań w zakresie sieci polowych (fieldbus). Dla wysoko dynamicznych aplikacji napędowych stworzono IRT, który dzięki odpowiedniemu wsparciu w zakresie hardware’u jest rozwiązaniem zarówno w zakresie submilisekundowym, jak również w przypadku wysokich wymogów synchronizacyjnych.

Protokół Profinetu oparty jest na strukturze modułowej

W zależności od aplikacji docelowej można urozmaicać żądany przez użytkownika zakres funkcjonalności oraz wydajności (rys. 3.). W tym celu rozróżnia się specyficzne moduły wydajnościowe – np. w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego. Poprzez mechanizmy Profinetu transferowany jest protokół bezpieczeństwa, aby w ten sposób móc włączyć bezpieczne sensory oraz aktorów do kategorii bezpieczeństwa SIL 3 zgodnie z IEC 61508, jak również zgodnie z kat. 4 według normy DIN EN 954-1: 1997-03. 

Rys. 3. Przegląd modułów roboczych w Profinet-IO oraz Profinet CBA

Gdy w zakresie redundancji przewodu zamknięte zostały już specyfikacje, to te dotyczące redundancji urządzeń jeszcze pracują. Dla samych napędów przygotowano nowe zsynchronizowane czasowe postępowanie izochroniczne – Profinet-IO-IRT. Hardware wymaga tu zastosowania specjalnych zestawów chipów, ponieważ standardy ethernetowe nie pokrywają się z wymaganiami po jitterze w zakresie mikrosekund. Dla komunikacji pomiędzy sterownikami zdefiniowano własny interfejs aplikacyjny CBA (Component Based Automation), który łączy ze sobą sterowniki na bazie jednostek funkcyjnych.

Równie elastyczna jak zakres funkcyjny jest także wspomagana struktura sieciowa. W przypadku Profinet chodzi o sieć typu switch o przepływowości wynoszącej 100 Mbit/s dla pełnego łącza dupleksowego. Na takiej podstawie można tworzyć oraz zestawiać ze sobą struktury drzewa (sieć), struktury pierścieniowe czy liniowe. W ten sposób sieć może dostosować się do danego urządzenia oraz jego wymogów komunikacyjnych. Poprzez przełożenie punktowe dzięki konwerterom odcinki częściowe mogą mieć strukturę standardowej instalacji miedzianej, formę przewodników światłowodowych (LWL) lub strukturę bezprzewodową. Technologia światłowodowa ma dla otoczenia obciążonego elektromagnetycznie wiele zalet. W przypadku zastosowania technologii bezprzewodowej, takiej jak np. bluetooth czy WLAN, nie będzie już konieczne kosztowne rozmieszczanie przewodów dla przenośnych, tymczasowych czy trudno dostępnych stacji IO.

Rozwiązanie w czasie rzeczywistym opierające się na Ethernecie

Chociaż Profinet IO prezentuje się na zewnątrz jako nowy sterownik IO, rozwiązanie to zyskało znacznie więcej na swojej funkcjonalności. Na płaszczyźnie telegramów danych telegramy Profinet oraz standardowe telegramy TCP/IP różnią się od siebie jedynie znacznikiem identyfikacyjnym Ethernetu oraz swoim priorytetem. W przypadku priorytetyzacji telegramów ethernetowych postępuje się tak samo, jak podczas transmisji głosu czy transmisji wideo. Profinet zajmuje tu najwyższy spośród siedmiu możliwych poziomów priorytetów. Same telegramy danych Profinet mogą być rozdzielane na poziomie Office-Switch przed standardową komunikacją ethernetową.

W ramach komunikacji w czasie rzeczywistym stos komunikacyjny Profinet IO-Stack wymienia cyklicznie informacje w formie sygnałów ze swoim partnerem komunikacyjnym lub wysyła asynchroniczne alarmy. Po realizacji procesu odbiorca-dostawca (Consumer – Provider) cykliczna komunikacja jest wysyłana w sposób chroniący zasoby, jak również bez uzyskania potwierdzenia.

Oznacza to, że sygnały wejściowe sterownika są przenoszone niezależnie w zdefiniowanym rastrze z modułu (Provider) do odbiorcy (Consumer) i nie są wymagane przez sterownik.

W celu uzyskania prawidłowego połączenia komunikacyjnego Profinet IO współpracuje z różnymi typami urządzeń – z Profinet IO- -Controller oraz z IO – Devices. Urządzenie Profinet IO-Controller zastępuje urządzenia typu fieldbus-master. Dzięki narzędziom służącym do projekcji (przekazywania) dysponuje on listą wszystkich przyporządkowanych mu urządzeń polowych typu IO – Devices wraz z samymi parametrami urządzeń. Podczas uruchamiania maszyny określającej status Profinet IO-Controller rozdziela wszystkie parametry IP, jak również parametry Profinet i ewentualnie parametry urządzeń.

Dopiero po zakończeniu tego procesu uruchamia się cykliczna komunikacja IO w czasie rzeczywistym (rys. 4.). 

Rys. 4. Komunikacja pomiędzy Profinet IO-Controller a Profinet-IO-Devices

Profinet IO wykorzystuje normowany protokół LLDP (Link Laser Discovery Protocol) do skanowania rzeczywistej struktury sieciowej. LLPD, który dla urządzeń określonej „conformance class” stanowi funkcję obowiązkową, tworzy podstawędla wielu cech, które w budowie urządzenia mają określoną zaletę.

Na przykład w ten sposób całą sieć można wyczytać poprzez LLDP oraz wykorzystać do celów diagnostycznych i zautomatyzowanych celów parametryzacyjnych.

Odwzorowanie funkcji zorientowane na użytkownika

W przypadku odwzorowania urządzeń w programie użytkownika mechanizmy profibusowe zostały przejęte w możliwie jak największym stopniu. Adresowanie rozszerzono o subslot, przez co płaszczyzna adresowania składa się obecnie: z nazwy urządzenia, slotu (szczeliny), subslotu oraz kanału. Wiele profili oraz elementów można w prosty sposób przenieść na Profinet. Przejęto również język opisujący urządzenia GSD. Zawartość przeniesiono na nowy język w składni XML, który oferuje funkcje dodatkowe, takie jak np. wielojęzyczność.

W pliku GSD zawarte są wszystkie komunikaty o błędach urządzenia w formacie tekstowym. Aby móc znaleźć plik oraz wydać komunikat o błędzie w tekście czystym (niesformatowanym), urządzenie diagnostyczne Profinet potrzebuje numeru identyfikacyjnego producenta oraz urządzenia. Dla wielu komunikatów standardowych, jak np. spięcie czy przerwanie połączenia, wartości zostały już uprzednio podane w specyfikacji.

W pliku GSD opisano również parametry komunikacyjne oraz wartości urządzeń, które są umieszczone w narzędziach konfiguracyjnych i następnie przekazywane do systemu sterowania, a podczas nawiązywania połączenia przesyłane do urządzenia. Sama aplikacja nie musi być już aktywna.

Koncepcja adresowania, diagnostyki oraz parametryzacji jest na tyle elastyczna, że system polowy fieldbus podobnie jak interbus mogą być całkowicie odzwierciedlone przez Profinet. Tak zwana koncepcja proxy określa zasady odzwierciedlania na poziomie poszczególnych slotów, subslotów oraz kanałów. Każdy uczestnik systemu polowego fieldbus odpowiada jednemu slotowi. Komunikaty o błędach pochodzące z systemu polowego fieldbus generują powstawanie alarmów Profinet. 

 

Ethernet standardowy jako kanał Office

 

Dzięki Profinet-NRT (Non Real Time), jak również dzięki standardowemu protokołowi ethernetowemu TCP/IP powstała wydajna komunikacja ethernetowa, która bezproblemowo integruje się ze środowiskiem Office. Systemy ERP (Enterprise Resource Planning), MES (Manufacturing Execution Systems), jak również aplikacje internetowe umożliwiające zdalny dostęp wykorzystują to rozwiązanie standardowe w takim samym stopniu jak sterowniki rozproszone (DCS) oraz sterowniki (SPS) z możliwością zaprogramowania zapisu. W większych systemach sieciowych osiągalne są również wymagane czasy reakcji – wynoszące 100 ms dla transmisji danych, parametryzacji oraz diagnostyki. Cel automatyzacji urządzeń polega na tym, aby różne płaszczyzny przedsiębiorstwa móc do siebie dokładnie dopasować oraz bezproblemowo ze sobą połączyć.

Automationworx wspomaga Profinet

Profinet jest integralną częścią systemu automatyzacyjnego Automationsworx. Wynika to z faktu, że Profinet spełnia decydujące wymagania w zakresie automatyki, takie jak krótkie czasy cykli oraz jitterów, jak również wspomaga zdecentralizowane systemy o charakterze modułowym. Proste komponenty wejściowe i wyjściowe umożliwiają podłączenie zarówno systemów Profinet IO, jak również kompleksowych urządzeń, np.: komputera przemysłowego, sterowników zdecentralizowanych czy inteligentnych urządzeń końcowych z możliwością ich parametryzacji.

Oprócz integracji horyzontalnej oddzielnych grupprodukcyjnych oraz komponentów poprzez zastosowanie powszechnych standardów komunikacji biurowej możliwy jest wertykalny dostęp do aplikacji internetowych poprzez wszystkie płaszczyzny przedsiębiorstwa. Ze względu na koncepcję proxy inwestycje w zakresie produktów oraz rozwiązań dotyczących sieci polowych (fieldbus) są równocześnie chronione poprzez przyszłościową ścieżkę migracyjną na płaszczyźnie od komunikacji polowej fieldbus do komunikacji opierającej się na Ethernecie. Poprzez połączenie interbusu oraz Profinet IO użytkownik może wykorzystać możliwości obu systemów w jednym rozwiązaniu automatyzacyjnym.

Dypl. inż. Johannes Kalhoff studiował Elektrotechnikę w Wyższej Szkole Technicznej w Bielefeld. Od 1990 roku pracuje w firmie Phoenix Contact. Obecnie zajmuje się marketingiem systemowym w dziale Business Unit Automation System.
E-mail:
jkalhoff@phoenixcontact.com

Dypl. inż. Robert Wilmes studiował budowę maszyn na RWTH w Aachen. W 1996 roku rozpoczął karierę zawodową w firmie Phoenix Contact. Początkowo pracował jako menedżer ds. produktów. Od 2004 r.
pracuje w marketingu systemowym w Business Unit Automation System i tam w dziale Automationsworx zajmuje się zagadnieniem Profinetu.
E-mail:
rwilmes@phoenixcontact.com