Jak działa sieć Profinet?
| Prezentacje firmowe KomunikacjaSTERCONTROL jest autoryzowanym przedstawicielem firmy Indu-Sol specjalizującej się w sieciach przemysłowych, w szczególności w technologiach Profibus, Profinet i AS-i. Przedsiębiorstwo ma bogate doświadczenie praktyczne i rozległą wiedzę na temat różnych typów magistrali polowych oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Indu-Sol posiada również w swojej ofercie urządzenia do komunikacji bezprzewodowej oraz organizuje szkolenia z zakresu projektowania i eksploatacji sieci przemysłowych.
Podstawy sieci Profinet
Profinet to uniwersalna sieć komunikacyjna oparta na standardzie przemysłowego Ethernetu (Industrial Ethernet). Sieć Profinet może być wykorzystana w praktycznie każdym obszarze automatyki przemysłowej oraz umożliwia komunikację na wszystkich poziomach zaimplementowanej struktury sieci.
Podobnie jak w Profibus, w sieciach Profinet wyróżniamy cykliczną oraz acykliczną komunikację danych. Dodatkowo Profinet wspiera szybką komunikację wejść/wyjść (RT – Real Time oraz IRT – Isochronous Real Rime), zachowując przy tym standardowy model cyklicznego transferu danych między urządzeniami polowymi (IO devices) a kontrolerem wejść/wyjść (I/O controller). Ponadto ze względu na skalowanie szybkości odświeżania system oparty na Profinecie jest bardzo elastyczny.
Profinet opisuje model urządzeń, który bazuje na podobnych zasadach, jak te wykorzystane w sieciach Profibus i składa się ze slotów oraz grup kanałów wejść/wyjść. Techniczna charakterystyka urządzeń polowych jest opisana przez tak zwany plik GSD (General Station Description), który w Profinecie bazuje na XML.
W sieci Profinet typ przesyłanych danych jest bardzo zróżnicowany. Oprócz priorytetowych, cyklicznych danych wejścia/wyjścia, można także przesyłać acykliczne dane (np. TCP/IP, wiadomości diagnostyczne lub zapytania SNMP).
Najczęściej spotykane topologie sieci Profinet to struktura gwiazdy, linii, drzewa oraz pierścienia. W praktyce stosuje się kombinację powyższych topologii. Mogą one być zaimplementowane na bazie kabli miedzianych lub światłowodów.
Zalecenia i wskazówki projektowe
Podstawy dokonywania pomiarów, projektowania oraz odbierania i uruchamiania sieci Profinet, a tym samym kryteria oceny jakości polegają na przestrzeganiu wyszczególnionych zaleceń i wskazówek projektowych:
- Dyrektywa PI dotycząca projektowania i uruchamiania sieci Profinet
- Profinet I/O Security Level 1
- Dyrektywa PI dotycząca montażu sieci Profinet
- EN 50173/ISO IEC 11801 – Okablowanie w strukturze
- EN 50310 – Stosowanie połączeń wyrównawczych i uziemiających w budynkach z zainstalowanym sprzętem informatycznym
- Dyrektywa VDI/VDE 2184 – Prawidłowa eksploatacja i konserwacja systemów magistrali polowych.
W aktualnej dyrektywie dotyczącej projektowania i uruchamiania skupiająca użytkowników organizacja Profibus & Profinet International (PI) określiła kryteria jakościowe dla projektowania, odbioru i uruchomienia oraz pomiarów technicznych sieci. Dyrektywa stanowi praktyczny zbiór porad dla wszystkich projektantów, wykonawców, serwisantów oraz użytkowników. W fazie projektowania oprócz topologii należy uwzględnić także wiele innych parametrów logicznych i fizycznych. Jest to kluczowy etap, od którego zależy, czy planowana sieć Profinet będzie w przyszłości wolna od wad. Ważna jest tutaj znajomość skomplikowanych zależności, zachodzących pomiędzy częstotliwością odświeżania a głębokością segmentacji i strukturą sieci. Praktyczne narzędzia do projektowania firmy Indu-Sol, takie jak PROnetplan, umożliwiają przedstawienie tych zależności w przyjaznej formie graficznej.
Projektowanie sieci
Kluczową cechą Profinetu jest zmienna struktura sieci oraz wynikająca z niej nieograniczona liczba kombinacji wykorzystujących wszystkie topologie sieciowe oparte na standardzie Ethernet. Topologia wynika z poniższych kryteriów:
- przestrzenne rozmieszczenie komponentów,
- dystanse do pokrycia,
- wymogi stosowania pierwotnej infrastruktury,
- uwzględnianie obciążeń sieci oraz wymiany protokołów TCP/IP
- częstotliwość odświeżania z uwzględnieniem głębokości segmentacji,
- jakość komunikacji/wymiana powiadomień,
- wymogi dotyczące EMC.
Czas aktualizacji danych (update time)
Czas aktualizacji danych pomiędzy kontrolerem a urządzeniem polowym związany jest z częstotliwością odświeżania. Czas aktualizacji można ustawić w kontrolerze dla każdego urządzenia (standardowe ustawienie: 2 ms). Oprócz wymogów procesowych należy uwzględnić w ustawieniu także czas cyklu PLC. Firma Indu-Sol zaleca ustawienie czasu aktualizacji na co najmniej połowę czasu cyklu PLC. Obowiązuje następująca zasada: "Nigdy nie aktualizuj tak często, jak to możliwe, lecz zawsze tylko tak, jak to konieczne". Decydujący wpływ na utrzymanie częstotliwości odświeżania ma praca switchy w każdym urządzeniu polowym oraz głębokość segmentacji, czyli liczba urządzeń na odcinku komunikacyjnym. Wzrost liczby tych urządzeń wydłuża czas transferu powiadomień. Powoduje to większe odchylenie rzeczywistej częstotliwości odświeżania od ustalonej, które określa się mianem "jitter" i wyraża w procentach (rys. 4). Porównanie ustawionej częstotliwości aktualizacji danych oraz odchyleń w tym zakresie dostarcza wiedzy na temat stabilności systemu oraz pozwala przewidzieć ewentualne punkty krytyczne.
Obciążenie sieci (network load)
Obciążenie sieci, generowane przez urządzenia Profinet zgodnie z ustawionym czasem aktualizacji, jest największe na połączeniu kontrolera z pierwszym urządzeniem.
Aby zapewnić długofalowo sprawną pracę sieci Profinet, należy podczas projektowania i realizacji uwzględnić wartości graniczne obciążenia sieci (tab. 1).
Praktyka wykazała, że na obciążenie sieci składa się zarówno komunikacja w ramach Profinet, jak i komunikacja przez TCP/IP. Mimo zasadniczego pierwszeństwa komunikacji Profinet w węzłach sieci, może być ona spowolniona przez komunikację TCP/IP. Występowanie i zakres tego zjawiska zależy od proporcji obciążenia komunikacji Profinet do TCP/IP. Ponieważ na częstotliwość odświeżania wpływają różne obciążenia sieci (obciążenia szczytowe), a urządzenia o zróżnicowanym poziomie bezpieczeństwa sieci (Netload classes) reagują ze szczególną wrażliwością na obciążenia szczytowe, wyjątkowe znaczenie podczas odbioru czy diagnozowania błędów systemu ma sprawdzenie jakości sieci w odniesieniu do obciążenia.
Głębokość segmentacji (line depth)
W przypadku sieci Profinet (RT) nie można określić, czy urządzenie (switch) pracuje w trybie Store-and-Forward, czy Cut-Through, należy liczyć się z opóźnieniem na każdym przejściu pomiędzy urządzeniami. Podczas projektowania sieci należy owe opóźnienie uwzględnić na etapie planowania. Zasadniczo maksymalna głębokość segmentacji jest uzależniona od czasu aktualizacji oraz trybu pracy switcha (patrz tab. 2 oraz tab. 3). Firma Indu-Sol zaleca stosowanie wartości, określonych w dyrektywie PI jako "Głębokość segmentacji dla switchy typu Store-and-Forward".
Punkty dostępowe
Zgodnie z dyrektywą podczas projektowania sieci Profinet należy zaplanować pasywne punkty dostępowe do diagnozowania sieci.
Dlaczego?
- Aby w razie potrzeby przeanalizować komunikację w sieci lub odczytać dane z urządzeń podczas uruchomienia i serwisowania
- W celu podłączenia urządzeń diagnostycznych bez konieczności przestoju
- W celu wyszukania błędów lub przeprowadzenia długofalowej diagnostyki/profilaktycznej konserwacji sieci
Jakimi narzędziami?
- Przez zastosowanie pasywnego punktu pomiarowego PNMA II Profinet
- Przez zastosowanie inteligentnego urządzenia diagnostycznego Profinet INspektor NT (rys. 7)
- Przez zastosowanie programu do skanowania topologii sieci Profinet PROscan Active
Wskazówka
Zasadniczo pierwszą ogólną analizę komunikacji sieci (analiza powiadomień) można przeprowadzić za pomocą oprogramowania (np. Wireshark) przez port lustrzany na switchu. Port ten umożliwia jednak tylko przesyłanie danych z prędkością 100 Mbit/s, co w praktyce oznacza, że można zdiagnozować co najwyżej połowę wysłanych danych.
Zobacz: https://goo.gl/q1ZEEQ
Podsumowanie
Profinet to nowoczesna technologia, która cechuje się wysoką wydajnością i elastycznością. Jednak wraz z pojawieniem się nowych możliwości należy zwrócić uwagę na potencjalne zagrożenia zarówno na etapie projektowania, jak i eksploatacji sieci komunikacyjnej. Firma Indu-Sol proponuje gotowe rozwiązania, służące do diagnostyki i monitorowania sieci Profinet. Stosowanie narzędzi do monitoringu i diagnostyki sieci pozwala uzyskać wysoki wskaźnik bezawaryjności i stabilności działania procesu produkcyjnego.
Firma Stercontrol jest autoryzowanym przedstawicielem firm Indu-Sol, SIEMENS, Ewon, Anybus, HARTING oraz dostawcą komponentów automatyki przemysłowej m.in. Lenze, Omron.
STERCONTROL
www.stercontrol.pl
