Profinet від siemens лідер промислових мереж
Олексій Васильєв (м.Київ)
Переваги мереж на основі Ethernet - гнучкість побудови, можливість використання протоколу TCP / IP, величезний вибір устаткування для різноманітних застосувань. Але у Ethernet існують і недоліки, головний з яких - неможливість побудови систем, в яких час передачі керуючих сигналів становить близько 1 мс. Саме така швидкість найчастіше потрібна при побудові систем промислової автоматизації. Компанією Siemens була створена система PROFINET, що поєднує гнучкість Ethernet і можливість роботи в реальному часі.
При розробці відкритого стандарту єдиної шини для промислової автоматизації в 80-х роках був створений консорціум з провідних виробників засобів автоматизації. Цей консорціум отримав назву PROFIBUS, і першим результатом його роботи стало створення однойменної шини. Важливою перевагою PROFIBUS є можливість ізохронної роботи в реальному масштабі часу. На момент розробки PROFIBUS була вкрай актуальною, і навіть зараз, після чверті століття, вона широко використовується, і для неї випускається нове обладнання. Але життя не стоїть на місці: мережі Ethernet і протокол TCP / IP з тих часів з предмета захоплення вузького кола просунутих фахівців з комп'ютерних технологій перетворилися в стандарт де-факто для побудови комп'ютерних мереж.
Розвиваючи цей принцип, можна надати для пакетів, що відносяться до реального часу і ізохронним процесам, особливі «виділені смуги» в трафіку Ethernet. Тоді зміна навантаження на мережа не буде приводити до «заторів» критично важливих пакетів, і відкривається можливість встановлювати жорсткі нормативи на час затримки пакетів.
Саме на такому принципі заснована система PROFINET, створена консорціумом PROFIBUS. Спочатку система створювалася для потреб німецької автомобільної промисловості, а саме, групи AIDA (так називається п'ятірка найбільших автовиробників: Audi, BMW, Daimler, Porsche і Volkswagen). В основі Profinet лежать ті ж принципи, що і в основі Ethernet. Це полнодуплексная шина, що забезпечує передачу даних зі швидкістю 100 Мбіт / с. При необхідності передача інформації може здійснюватися по оптоволокну або бездротовим способом. Розподіл навантаження мережі завжди можна змінити через її топологію. Мало того, мережа PROFINET повністю сумісна з Ethernet. Телеграми PROFINET можуть передаватися через існуючу інфраструктуру для Ethernet, в тому числі і через Ethernet-комутатори. Правда, на параметри Ethernet-комутаторів накладаються деякі обмеження, зазначені в офіційному описі системи. Тим не менше, більшість сучасних Ethernet-комутаторів, використовуваних в системах промислової автоматизації, задовольняють цим вимогам.
PROFINET, в свою чергу, підрозділяється на PROFINET IO, призначений для реального часу, а також ізохронного реального часу, і PROFINET CBA, орієнтований на протокол TCP / IP.
Як працює PROFINET
Цикл передачі PROFINET ідентичний циклу передачі Ethernet (рисунок 1). 25-й і 26-й байти є ідентифікаторами типу переданих даних - PROFINET. Далі йде блок інформації, специфічної для PROFINET, а завершується телеграма стандартним для Ethernet перевірочним блоком FCS. Таким чином, з точки зору комутатора Ethernet, телеграма PROFINET - це просто якісь специфічні дані, що передаються через комп'ютерну мережу. І вони можуть оброблятися точно так же, як і будь-які інші.
Мал. 1. Структура Ethernet- і PROFINET-телеграм
При цьому приблизно 50% трафіку в PROFINET зарезервовано під звичайну передачу даних (розмір цієї частки може регулюватися шляхом установки відповідних налаштувань), для якої не важлива точна прив'язка за часом (малюнок 2). Зазвичай це передача даних по протоколу TCP / IP. Решта трафік використовується для передачі інформації в реальному часі (Real-Time - RT) із затримкою порядку одиниць-десятків мілісекунд, а також в ізохронними реальному часі (Isochronous Real-Time - IRT), коли затримка становить менше 1 мс.
Мал. 2. Резервування пропускної здатності
Для IRT-комунікацій (і тільки для них!) Виділяється окреме вікно часу. Стандартний кадр не може перервати IRT-цикл. Слід зазначити, що при використанні комутаторів в разі IRT застосовується спеціальне обладнання SCALANCE X-IRT.
У ізохронними режимі цикл управління синхронізований з циклом системної шини. При цьому читання входів і запис виходів здійснюються в фіксовані моменти часу.
Передача IRT здійснюється для підсистем вводу-виводу, інакше іменованих IO-підсистемами. У PROFINET розрізняють наступні типи IO-обладнання:
- IO-контролер. Здійснює обмін інформацією з польовими пристроями, а також доступ до IO-сигналам через область процесу.
- IO-пристрій. Польове пристрій, призначений певного IO-контролера.
- IO-супервізор. Здійснює діагностику, а також інтерфейс «людина-машина» (HMI). У більшості випадків являє собою якусь консоль, з якою можна проконтролювати роботу обладнання та зробити необхідні настройки.
Крім звичайних, в PROFINET можуть існувати IO-пристрої з функцією швидкого включення / вимикання. В цьому режимі забезпечується малий час включення, яке становить, в залежності від модифікації, 500 або 700 мс. На момент написання статті Siemens випускав дві серії таких пристроїв: ET 200eco PN (час включення до 500 мс) і ET200S (час включення до 700 мс). Як приклад можна привести варіант ET 200eco PN з номером продукту (MLFB) 6ES7141-6BG00-0AB0, що дозволяє управляти пристроями в кількості до восьми. Слід мати на увазі, що функція швидкого включення / вимикання активується спеціальними керуючими сигналами. Коли вона не активована, що підтримує її IO-пристрій нічим не відрізняється від звичайного.
Вибір мережевої структури
Наявність коштів, що забезпечують резервування трафіку для RT і IRT, не скасовує, проте, визначених правил побудови мережі для скорочення часу передачі даних. Якщо їх не дотримуватися, то навіть в PROFINET будуть виникати затори.
Для PROFINET рекомендується використовувати топологію мережі типу «дерево» або «зірка». Елементи системи, що генерують звичайний трафік у великих обсягах, повинні підключатися до одного комутатора з IO-контролером. IO-підсистеми повинні обмінюватися даними через комутатор верхнього рівня, що дозволяє уникнути циклічного обміну трафіком.
І, звичайно ж, мережа повинна бути захищена від інтенсивного широковещательного і групового трафіку.
Налаштування системи з використанням пакета Simatic Step 7
Для розробки систем автоматизації на основі програмованих логічних контролерів компанія Siemens створила програмне середовище Simatic Step 7. Сумісність Step 7 з конкретним апаратним забезпеченням і версією операційної системи комп'ютера можна уточнити у фахівця. Рекомендовано номер актуальної версії Simatic Step 7 в номенклатурі Siemens: 6FC5252-0AY00-0AG0. Виробник рекомендує використовувати її на апаратному забезпеченні SINUMERIK (так називається серія обладнання для верстатів з ЧПУ, до складу якої, зокрема, входять робочі станції).
Слід зазначити, що наявність такого потужного програмного пакета з інтуїтивно зрозумілим інтерфейсом є вагомим аргументом на користь вибору саме продукції Siemens для PROFINET. З промисловими контролерами інших виробників даний пакет працювати не буде.
Протягом багатьох років пакет Step 7 використовувався для програмування PROFIBUS-систем на основі промислових контролерів Siemens. Підготовлено величезна кількість фахівців, які досконало володіють цим пакетом. І гарною новиною є те, що ці інвестиції в людський капітал при переході на PROFINET не пропадуть. Конфігурація для пристроїв PROFINET IO в цьому пакеті представлена точно так же, як і для PROFIBUS DP.
Для кожного окремого IO-пристрої можлива індивідуальна настройка часу циклу в залежності від його параметрів і поставлених завдань. Настійно рекомендується здійснити таку настройку, так як вона дозволяє значно підвищити пропускну здатність мережі. Регулювання часу циклу здійснюється в Step 7 дуже просто - потрібно вибрати в списку IO-пристроїв необхідний елемент, вибрати меню Edit Update Time / Mode і задати час.
В обладнанні виробництва Siemens ім'я контролера і його налаштування записані на змінному модулі пам'яті. Це може бути як карта пам'яті поширеного стандарту MMC (FC / SINAMICS G120, номер продукту 6SL3254-0AM00-0AA0), так і фірмовий модуль C-Plug (номер продукту 6GK1900-0AB00).
Пристрої загального доступу
Під обладнанням спільного доступу (shared device) в PROFINET розуміється IO-пристрій, якому призначено два (або більше) контролера (рисунок 3). Різновидом такого пристрою є модуль загального доступу (shared input), з якого підключаються контролери можуть здійснювати читання інформації, але право здійснювати запис представлено тільки одного контролера. Прикладом shared device може бути ET200M IM 153-2 (номер продукту 6AG1153-2BA02-2XY0), а share input - ET200MP (номер продукту 6AG1155-5AA00-7AB0) при встановленні відповідного режиму роботи.
Мал. 3. Приклад підключення пристрою загального доступу
Застосування пристроїв загального доступу забезпечує більшу гнучкість настройки системи для вирішення тих або завдань.
Підключення «інтелектуальних» пристроїв
Як IO-пристрої для устаткування Siemens може бути підключений центральний контролер, комп'ютер або інший прилад на основі мікропроцесора. Зокрема, таким пристроєм може бути і IO-контролер.
Для чого це потрібно? По-перше, підключення комп'ютера в якості IO-пристрої значно спрощує настройку системи, так як для взаємодії з ним використовується стандартний інтерфейс Profinet. По-друге, відкриваються можливості по інтеграції в систему контролерів виробництва інших компаній.
протокол MRP
Для підвищення надійності в ряді випадків в системах промислової автоматизації використовується кільцева топологія мережі. Відновлення після збою здійснюється за допомогою протоколу MRP (Media Redundancy Protocol), що підтримує мережі з кількістю комутаторів до 50.
Залежно від встановлених параметрів і завантаження мережі час відновлення в MRP для обладнання PROFINET від Siemens складає від 10 до 200 мс.
За протоколом MRP цілісність кільця контролюється шляхом передачі тестових кадрів даних в одну сторону і отримання їх по ланцюжку з іншого боку. Всі дані, крім тестових кадрів, блокуються на одному з двох кільцевих портів провідного комутатора (так званого MRM-комутатора), утворюючи фактично лінійну топологію мережі. Це дозволяє запобігти колізії. При відсутності тестових кадрів з іншого боку діагностується розрив кільця, тоді відбувається розблокування другого з'єднання, що відновлює передачу даних.
Решта комутатори в кільці грають роль ведених (MRC-комутатори), передаючи кадри по ланцюжку з одного кільцевого порту в інший. Якщо MRM-комутатор отримав повідомлення від MRC-комутатора про відмову його кільцевого порту раніше, ніж виявив відсутність тестових кадрів, то він керується цим попередженням і активує заблоковане з'єднання. Це дозволяє зменшити час відновлення мережі.
В обладнанні PROFINET виробництва Siemens механізм MRP підтримується IO-контролерами, IO-пристроями, RT-обладнанням і IRT-обладнанням Scalance серій X200 / 300/400. Як приклад можна привести комутатор Scalance X308-M2 (номер продукту 6GK5308-2GG00-2AA2), а також комутатор з розширеним діапазоном робочих температур Scalance X302-7EEC (номер продукту 6GK5302-7GD00-1EA3).
У пакеті Step 7 для настройки параметрів MRP вводиться наступна інформація: ім'я домену, роль (клієнт / сервер), які два порти є кільцевими.
PROFIenergy
Підтримка PROFIenergy здійснюється на рівні прошивки IO контролера. Крім цього, що підключається до контролера обладнання повинно мати можливість управління енергозбереженням через команди PROFIenergy. Підтримка PROFIenergy в продукції Siemens реалізована в модулях серій ET200S, ET200SP, ET200MP, ET200Pro (в залежності від версії прошивки). Прикладами можуть служити блок живлення PM-E (номер продукту 6ES7138-4CB11-0AB0) і модуль запуску двигуна (номер продукту 3RK1903-1BC00) в серії ET200S.
По кожному пристрою в прошивці прописується мінімально допустимий час паузи і час включення (Time to Operate), т. Е. Час, необхідний на прогрів пристрою. Ці дані, поряд з поточним станом та переліком доступних функцій енергозбереження, запитуються системою у IO-контролера.
За час, що дорівнює значенню Time to Operate, система передає на контролер сигнал про завершення паузи (рисунок 4). Після закінчення часу, відведеного на запуск, IO-контролер відповідає, що пристрій готовий до роботи. І тільки після цього на пристрій будуть подаватися сигнали про виконання будь-яких дій. Така багатоступенева система забезпечує високий рівень безпеки і захист від поломки обладнання.
Мал. 4. Запуск обладнання після паузи
PROFINET CBA
Для комунікацій типу «машина-машина» та загальносистемних комунікацій через Ethernet може використовуватися стандарт PROFINET CBA. В його основі лежить уявлення набору модулів як збірки з входами і виходами, що забезпечують взаємодію з іншими модулями. Як правило, виробничий процес ділиться на окремі логічно завершені ділянки, для кожного з яких робиться збірка. Наприклад, якщо автоматизується процес виробництва засобів побутової хімії, то в якості окремої збірки може виступати комплекс пристроїв для розливу кошти по флаконах. Для проектування виробничого процесу на основі збірок із застосуванням модулів виробництва Siemens передбачена спеціальна програма SIMATIC iMap (малюнок 5).
Мал. 5. Програма SIMATIC iMap
Ця програма, зокрема, здатна здійснювати гнучку реконфігурацію обміну даними. Тобто призначення входів і виходів збірок, а також їх топологію з'єднання можна змінювати для досягнення оптимальних результатів. Створена карта межкомпонентних з'єднань завантажується в систему. При цьому комунікація пристроїв налаштовується автоматично. Завдяки цьому з'являється можливість практично миттєво перебудовувати заводський конвеєр на випуск іншої продукції. Використання PROFINET дозволяє швидко пристосовуватися до зміни ситуації на ринку.
