Profinet - kompleksowy sposób na przemysłowy Ethernet

Jednym z nowoczesnych standardów sieci przemysłowych jest Profinet. Łączy on w sobie cechy sieci Profibus DP z uniwersalnością popularnego Ethernetu, pozwalając na kompleksowe rozwiązanie problemów związanych z wymianą danych w systemach przemysłowych.

Podstawową ideą przyświecającą inżynierom z Profibus International – twórcom standardu Profinet, było umożliwienie łączenia ze sobą sieci informatycznych w zakładach przemysłowych z sieciami biurowymi za pomocą kompatybilnych ze sobą i pracujących w jednym standardzie urządzeń. Drugim celem było unowocześnienie sieci Profibus DP poprzez wzbogacenie jej o charakterystyczny dla Ethernetu tryb przesyłu danych. Nowopowstający standard miał spełniać wszystkie te wymagania i być ponadto kompatybilny z różnymi dotychczas stosowanymi urządzeniami automatyki przemysłowej. Oprócz uniwersalności i elastyczności, wymogi stawiane opisywanemu standardowi związane były z jego niezawodnością i możliwością wykonywania niektórych operacji w czasie rzeczywistym.

Struktura sieci

Główny problem pojawiający się w przypadku nowych standardów – kompatybilność z innymi sieciami – rozwiązano poprzez wprowadzenie urządzeń typuje cykliczne przełączanie.

Podstawowy tryb pracy to transmisja zgodnie z protokołem TCP/IP. Jest ona przeznaczona m.in. do przesyłania danych pomiędzy kontrolerami, serwerami i panelami HMI, jak również aplikacjami klienckimi użytkowników komputerów PC, które podłączone są do sieci zakładowej. Przesyłane pakiety tworzone są w oparciu o protokoły TCP lub UDP, umożliwiając dostęp do standardowych funkcji sieciowych, takich jak serwery pocztowe, FTP oraz WWW. Komunikacja z wykorzystaniem TCP/IP charakteryzuje się możliwymi opóźnieniami rzędu 100ms i uwzględnia możliwość zagubienia pakietów oraz zamiany kolejności ich dostarczenia. Parametry te w pełni wystarczają do obsługi paneli operatorskich, ale mogą nie być wystarczające dla urządzeń systemów automatyki i sterowania. W celu osiągnięcia funkcjonalności czasu rzeczywistego i maksymalnych opóźnień rzędu 10ms pakiety trybu rzeczywistego – synchronicznego (SRT) oznaczone są wskaźnikiem priorytetu zgodnym IEEE802.1Q o wartości 6. Przesyłane są one ponadto z pominięciem enkapsulacji warstw IP, TCP lub UDP i wyższych, dzięki czemu czas ich przygotowania i dekodowania skrócony został do minimum. Mała liczba zagnieżdżonych protokołów zmniejsza także wymagania co do mocy obliczeniowej jednostek komunikujących się ze sobą, a więc nie ogranicza ich wydajności.

Trzecim trybem komunikacji jest przesył danych izochronicznych czasu rzeczywistego (IRT), co służy do transmisji pomiędzy sterownikami, czujnikami i urządzeniami wykonawczymi. Transfer danych odbywa się w warstwie sprzętowej z pominięciem wyższych protokołów i rozpoczynany jest każdorazowo od synchronizacji. Po nadaniu komunikatu IRT następuje przełączenie sieci w tryb otwarty, w którym przesyłane są wszystkie, mniej krytyczne czasowo dane. Taka organizacja ruchu na łączach pozwala na uzyskanie okresów odświeżania rzędu 1ms z dokładnością do 1μs. Za nadawanie i odbiór komunikatów czasu rzeczywistego odpowiadają specjalizowane układy scalone, przez co reszta układów sterujących nie jest obciążana dodatkowymi operacjami.

Programowanie i konfiguracja

Urządzenia przeznaczone do pracy w sieci Profinet muszą oczywiście być odpowiednio skonfigurowane. Interfejs sieciowy każdego z nich musi mieć nadany numer IP, dzięki czemu będzie mógł przesyłać dane korzystając z TCP/IP. Nadanie numeru odbywa się poprzez specjalnie przygotowany w tym celu protokół DCP (Discovery and Basic Configuration) albo za pomocą opcjonalnie implementowanego DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Wyróżnia się także dwa sposoby opisu zależności pomiędzy elementami systemu – metody te bazują na dwóch opisanych wcześniej podejściach do konstrukcji sieci – zdecentralizowanym Profinet IO oraz komponentowym. Obie metody realizowane są poprzez oddzielne narzędzia i pliki regulujące tryby pracy urządzeń, co opisane zostało poniżej.

Parametry urządzeń Profinet IO opisywane są w XML-owym pliku GSD (General Station Description) zgodnym z normą ISO15745. Są to między innymi dane dotyczące zainstalowanych modułów, teksty komunikatów błędów, a także parametry komunikacyjne urządzenia i parametry wejść i wyjść jego interfejsów. Każde urządzenie jest charakteryzowane ponadto przez unikalny, 32-bitowy identyfikator umożliwiający rozpoznawanie poszczególnych egzemplarzy sprzętu. Wygenerowany plik GSD jest następnie przetwarzany, po czym wgrywany do sterownika IO-Controller. Urządzeniom przypisuje się również komunikaty alarmów, takich jak sygnał podłączenia, odłączenia, statusu, a nawet komunikaty alarmów zdefiniowanych przez użytkownika, przy czym każdemu z nich można nadać odpowiedni priorytet. W ten sposób poszczególne urządzenia przypisywane są do sterownika już na etapie tworzenia konfiguracji. Dzięki temu w trakcie pracy systemu w razie konieczności wymiany i podłączenia nowego modułu kontroler, po wykryciu zmiany, natychmiast przeprowadzi parametryzację i konfigurację urządzenia.

Inaczej wygląda konfiguracja sieci Profinet opartych na modelu komponentowym. Urządzenia takie opisywane są poprzez XML-owe pliki PCD (Profinet Component Description). Poszczególne komponenty modelowane są za pomocą obiektowej technologii COM, a ich opis generowany przez projektanta maszyny lub procesu. Wygenerowany plik PCD zawiera dane na temat nazwy i identyfikatora komponentu, charakterystykę dostępu do danych komponentu i funkcjonalny opis interfejsów. Plik PCD jest następnie importowany do biblioteki graficznego edytora połączeń w której, wraz z innymi komponentami, łączony jest w spójną aplikację. Dzięki temu inżynier tworzący aplikację traktuje komponenty jako gotowe, sprawne obiekty i nie musi martwić się o oprogramowanie elementów wchodzących w jej skład. Gotowy kod opisujący połączenia i komponenty zapisywany jest w pamięci wszystkich urządzeń, co kończy proces konfiguracji. Warto dodać, że poszczególne pliki PCD mogą być wykorzystywane wielokrotnie i niezależnie od siebie.

Warstwa fizyczna

Konieczność spełnienia wszystkich założonych wymagań miała też swój wpływ na wybór kabli i połączeń, jakie mogą być wykorzystywane w sieciach Profinet. Podstawowym medium transmisyjnym jest miedziana, ekranowana skrętka kategorii 5D. Pozwala ona na transfer danych klasy Fast Ethernet, czyli z szybkością 100Mb na sekundę z pełnym dupleksem. Ponieważ urządzenia przemysłowe często zasilane są napięciem 24V, zalecane jest korzystanie z kabli hybrydowych, które posiadają nie tylko przewody do transmisji danych, ale również linie zasilające. Ze względu na wymagania co do pracy w trudnych warunkach środowiskowych, kable dostępne są jako prefabrykowane elementy ze złączami na obu końcach. Maksymalna długość kabla może wynosić 100m. Oczywiście także złącza muszą być odpowiednio zabezpieczone. Zaleca się stosowanie kabli z końcówkami RJ45 ze stopniem ochrony IP20 dla połączeń w szafach oraz IP65 lub IP67 w przypadku instalacji poza szafami. Dopuszcza się również stosowanie złącz M12D.

Drugim typem medium wykorzystywanym do przesyłu danych są światłowody – zarówno jednodomowe, jak i wielomodowe, przy czym te pierwsze pozwalają na maksymalny transfer na odległość 14km, a drugie na 2km. Kable światłowodowe wykorzystywane są tam, gdzie duże odległości lub wysokie natężenie pola elektromagnetycznego nie pozwalają na użycie łączy miedzianych. Transfer w kablach światłowodowych odbywa się za pomocą dwóch linii w standardzie 100BASE-FX, a interfejsy optyczne powinny być zgodne z ISO9314-3 i ISO9314-4. Dostępne są też kable zakończone wtyczkami hybrydowymi w których dwa włókna szklane służą do przesyłu danych, pozostałe cztery linie miedziane odpowiadają za dostarczenie zasilania.

Do połączenia poszczególnych części sieci wykorzystuje się specjalne przełączniki (switche) przeznaczone do pracy w warunkach przemysłowych. Standardowo regenerują one sygnał, jednocześnie zmniejszając liczbę kolizji danych poprzez kierowanie przesyłanych pakietów tylko na te linie, na których znajdują się ich odbiorcy. W przeciwieństwie do zwykłych przełączników biurowych, modele przeznaczone do sieci Profinet poprawnie reagują na pakiety priorytetowe i nie ograniczają ruchu SRT/IRT. Zazwyczaj zasilane są one także napięciem 24V.

Administracja siecią

Sieć zbudowana na powyżej opisanych zasadach, oprócz sprawności, musi charakteryzować się także odpowiednim bezpieczeństwem. Ponieważ pozwala ona na podłączenie już istniejącej infrastruktury sieci biurowych, jak również na korzystanie z platform typu PC z popularnymi systemami operacyjnymi, istnieją zagrożenia, które mogą zaszkodzić działaniu całego zakładu. Aby uniknąć przestojów produkcyjnych zaleca się podzielenie sieci na strefy i oddzielenie ich od siebie za pomocą urządzeń firewall. Zalecane są również inne metody mające na celu zwiększenie bezpieczeństwa - wykorzystanie szyfrowanych protokołów przesyłu danych, jak i wprowadzenie bramek typu VPN, oddzielających część przemysłową sieci, od części administracyjnej. Dobrze jest też regularnie weryfikować poprawność pracy sieci poprzez zastosowanie odpowiednich mechanizmów administracyjnych. Poszczególne elementy systemu wyposażone są w szereg mechanizmów, które ułatwiają wykrywanie błędów. Przykładem jednego z nich jest automatyczna detekcji uszkodzenia w przypadku urządzeń IO-Device, które, jeśli trzykrotnie pod rząd nie wyślą oczekiwanego pakietu z danymi, zostają uznane przez sterownik jako niesprawne. Komplet informacji dostępny jest poprzez narzędzia obsługujące protokół SNMP – Simple Network Management Protocol.

Jak wdrożyć Profinet?

Jak wcześniej wspomniano system Profinet pozwala minimalizować koszty wdrożenia, które musiałby ponieść zakład w przypadku innych sieci, gdyż umożliwia użycie dotychczas stosowanych urządzeń i instalacji pracujących w różnych standardach. Dotyczy to integracji sieci Profinet z urządzeniami w takich standardach jak Foundation Fieldbus, DeviceNet, Interbus, CC-Link i oczywiście Profibus. Procedura użycia proxy sprowadza się zwykle do wykonania krótkiej konfiguracji urządzenia w celu określenia sposobu przekazywania pakietów. W przypadku większych urządzeń konieczne może być wyposażenie ich w dostępne na rynku moduły do komunikacji poprzez Ethernet.

Ponieważ poszczególne firmy mogą oferować własne rozwiązania urządzeń do sieci Profinet, jej twórcy wprowadzili system testowania i certyfikacji sprzętu. Badań dokonują wybrane laboratoria autoryzowane przez Profibus International, a na podstawie wyników testów przyznawane są certyfikaty zgodności z systemem Profinet. Dzięki temu nie powinno być obaw, że nabyty sprzęt nie będzie w pełni wykorzystywał funkcjonalności sieci. Dodatkowo Profibus International wspiera oferowane rozwiązania poprzez dostarczanie kodów źródłowych przydatnych podczas programowania komponentów. Ponadto w ofercie firmy znajduje się także pakiet Profinet Web Integration zawierający gotowe szablony XML, które przydatne są przy tworzeniu czytelnych raportów w postaci stron internetowych.

Pomimo wielu zalet Profinet nie jest jedynym standardem mogącym spełnić wymagania projektantów systemów dla nowoczesnych zakładów przemysłowych. Jest to wciąż względnie nowy standard, ale cieszący się już dosyć dużą popularnością. Jako jeden z niewielu pozwala zintegrować ze sobą urządzenia zakładów przemysłowych i z firmową siecią komputerową, zachowując przy tym możliwość pracy w trybie rzeczywistym. Trwają także działania mające na celu wykonanie stacji bezprzewodowych pracujących w standardzie Profinet, które byłyby odpowiednikami ethernetowych sieci typu 802.11x. Niemniej obecnie na rynku dostępne są już sprawdzone, prostsze, bądź też tańsze rozwiązania dla sieci automatyki przemysłowej. Wybór odpowiedniego systemu powinien zostać dopasowany do indywidualnych potrzeb każdej firmy, co pozwoli na uzyskanie pożądanej funkcjonalności przy jak najniższych kosztach.

Case study: Uprawa pieczarek wspomagana przez system Profinet Holenderska firma CNC to jeden z większych producentów kompostu używanego do uprawy pieczarek. Ponad 270 pracowników co tydzień przygotowuje w dwóch zakładach nawet do 6000 ton kompostu. Dla uzyskania największej wydajności konieczne jest utrzymywanie odpowiednich temperatur w tunelach produkcyjnych, generowanie dużego przepływu powietrza i dokładne oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń. Problem: Dotychczasowy system sterowania w jednym z zakładów charakteryzowały następujące liczby - około 3000 cyfrowych wejść i wyjść oraz około 900 przetwarzanych zmiennych (głównie analogowych). Jednocześnie tunelowa budowa zakładów wymuszała istnienie dużych, sięgających nawet 300 metrów odległości pomiędzy poszczególnymi stacjami roboczymi. Firma poszukiwała sposobu na unowocześnienie i integrację sieci, którego wdrożenie będzie mogło być przeprowadzane w około 50 etapach, trwających po 8 godzin każdy. Tyle czasu tunele mogły pozostawać puste bez wstrzymywania produkcji. Rozwiązanie: Opierając się na wymaganiach CNC firma Alewijnse razem z Phoenix Contact opracowały całościowe rozwiązanie wykorzystujące systemy Profinet i Profibus. Zastosowano dwanaście stacji Profinet IO połączonych ze sterownikami PLC, które służyły do sterowania urządzeniami w tunelach, odkażaniem usuwanego powietrza, a także kontrolowaniem pracy klimatyzacji. Do każdego sterownika PLC podpięte zostały stacje Inline Profibus pracujące jako sieć niższego poziomu i kontrolujące pracę pobliskich urządzeń. Obecnie łącznie 64 stacje Profibus odpowiadają za kontrolę przepływu powietrza, jak i jego temperaturę. Sieć nadrzędna – Profinet, jest dodatkowo połączona pierścieniem światłowodowym i wykorzystywana w pobliskim biurze do codziennej pracy. Cały proces konwersji sieci trwał około półtora roku. Sprawność nowej instalacji zaważyła na decyzji o podobnej przebudowie drugiego z zakładów firmy CNC.

Marcin Karbowniczek