Profinet от Siemens: лидер промышленных сетей

30 сентября 2014

SIEMENSстатьяEthernetPROFIBUSПромавтоматика

Преимущества сетей на основе Ethernet – гибкость построения, возможность использования протокола TCP/IP, огромный выбор оборудования для разнообразных применений. Но у Ethernet существуют и недостатки, главный из которых – невозможность построения систем, в которых время передачи управляющих сигналов составляет порядка 1 мс. Именно такая скорость зачастую требуется при построении систем промышленной автоматизации. Компанией Siemens была создана система PROFINET, сочетающая гибкость Ethernet и возможность работы в реальном времени.

При разработке открытого стандарта единой шины для промышленной автоматизации в 80-х годах был создан консорциум из ведущих производителей средств автоматизации. Этот консорциум получил название PROFIBUS, и первым результатом его работы стало создание одноименной шины. Важным преимуществом PROFIBUS является возможность изохронной работы в реальном масштабе времени. На момент разработки PROFIBUS была крайне актуальной, и даже сейчас, по прошествии четверти века, она широко используется, и для нее выпускается новое оборудование. Но жизнь не стоит на месте: сети Ethernet и протокол TCP/IP с тех времен из предмета увлечения узкого круга продвинутых специалистов по компьютерных технологиям превратились в стандарт де-факто для построения компьютерных сетей.

Стандарт Ethernet создавался для обмена информацией, а не для управления в реальном масштабе времени. В таких сетях возможна значительная задержка по времени при прохождении пакетов. Эта серьезная проблема в ряде случаев решаема. Например, для пакетов, передающих мультимедиа, может быть установлен особый приоритет, при котором они будут идти приблизительно с одной задержкой, что обеспечивает гладкое воспроизведение видео.

Развивая этот принцип, можно предоставить для пакетов, относящихся к реальному времени и изохронным процессам, особые «выделенные полосы» в трафике Ethernet. Тогда изменение нагрузки на сеть не будет приводить к «заторам» критически важных пакетов, и открывается возможность устанавливать жесткие нормативы на время задержки пакетов.

Именно на таком принципе основана система PROFINET, созданная консорциумом PROFIBUS. Первоначально система создавалась для нужд немецкой автомобильной промышлености, а именно, группы AIDA (так называется пятерка крупнейших автопроизводителей: Audi, BMW, Daimler, Porsche и Volkswagen). В основе Profinet лежат те же принципы, что и в основе Ethernet. Это полнодуплексная шина, обеспечивающая передачу данных со скоростью 100 Мбит/с. При необходимости передача информации может осуществляться по оптоволокну или беспроводным способом. Распределение нагрузки сети всегда можно изменить через ее топологию. Мало того, сеть PROFINET полностью совместима с Ethernet. Телеграммы PROFINET могут передаваться через существующую инфраструктуру для Ethernet, в том числе и через Ethernet-коммутаторы. Правда, на параметры Ethernet-коммутаторов накладываются некоторые ограничения, указанные в официальном описании системы. Тем не менее, большинство современных Ethernet-коммутаторов, используемых в системах промышленной автоматизации, удовлетворяют этим требованиям.

PROFINET, в свою очередь, подразделяется на PROFINET IO, предназначенный для реального времени, а также изохронного реального времени, и PROFINET CBA, ориентированный на протокол TCP/IP.

Система PROFINET была разработана в начале 2000-х годов, с 2005 г. она используется на практике. Оборудование для PROFINET производят многие компании, но особенно следует отметить продукцию Siemens, обладающую рядом преимуществ, о которых пойдет речь позже. А сначала ознакомимся с основными принципами работы системы.

Как работает PROFINET

Цикл передачи PROFINET идентичен циклу передачи Ethernet (рисунок 1). 25-й и 26-й байты являются идентификаторами типа передаваемых данных — PROFINET. Далее следует блок информации, специфичной для PROFINET, а завершается телеграмма стандартным для Ethernet проверочным блоком FCS. Таким образом, с точки зрения коммутатора Ethernet, телеграмма PROFINET — это просто некие специфические данные, передаваемые через компьютерную сеть. И они могут обрабатываться точно так же, как и любые другие.

Рис. 1. Структура Ethernet- и PROFINET-телеграмм

Рис. 1. Структура Ethernet- и PROFINET-телеграмм

При этом приблизительно 50% трафика в PROFINET зарезервировано под обычную передачу данных (размер этой доли может регулироваться путем установки соответствующих настроек), для которой не важна точная привязка по времени (рисунок 2). Обычно это передача данных по протоколу TCP/IP. Остальной трафик используется для передачи информации в реальном времени (Real-Time — RT) с задержкой порядка единиц-десятков миллисекунд, а также в изохронном реальном времени (Isochronous Real-Time — IRT), когда задержка составляет менее 1 мс.

Рис. 2. Резервирование пропускной способности

Рис. 2. Резервирование пропускной способности

Для IRT-коммуникаций (и только для них!) выделяется отдельное окно времени. Стандартный фрейм не может прервать IRT-цикл. Следует отметить, что при использовании коммутаторов в случае IRT применяется специальное оборудование SCALANCE X-IRT.

В изохронном режиме цикл управления синхронизирован с циклом системной шины. При этом чтение входов и запись выходов осуществляются в фиксированные моменты времени.

Передача IRT осуществляется для подсистем ввода-вывода, иначе именуемых IO-подсистемами. В PROFINET различают следующие типы IO-оборудования:

  • IO-контроллер. Осуществляет обмен информацией с полевыми устройствами, а также доступ к IO-сигналам через область процесса.
  • IO-устройство. Полевое устройство, назначенное определенному IO-контроллеру.
  • IO-супервизор. Осуществляет диагностику, а также интерфейс «человек-машина» (HMI). В большинстве случаев представляет собой некую консоль, с которой можно проконтролировать работу оборудования и сделать необходимые настройки.

Помимо обычных, в PROFINET могут существовать IO-устройства с функцией быстрого включения/выключения. В этом режиме обеспечивается малое время включения, которое составляет, в зависимости от модификации, 500 или 700 мс. На момент написания статьи Siemens выпускал две серии таких устройств: ET 200eco PN (время включения до 500 мс) и ET200S (время включения до 700 мс). В качестве примера можно привести вариант ET 200eco PN с номером продукта (MLFB) 6ES7141-6BG00-0AB0, позволяющий управлять устройствами в количестве до восьми. Следует иметь в виду, что функция быстрого включения/выключения активируется специальными управляющими сигналами. Когда она не активирована, поддерживающее ее IO-устройство ничем не отличается от обычного.

Выбор сетевой структуры

Наличие средств, обеспечивающих резервирование трафика для RT и IRT, не отменяет, тем не менее, определенных правил построения сети для сокращения времени передачи данных. Если их не соблюдать, то даже в PROFINET будут возникать заторы.

Для PROFINET рекомендуется использовать топологию сети типа «дерево» или «звезда». Элементы системы, генерирующие обычный трафик в больших объемах, должны подключаться к одному коммутатору с IO-контроллером. IO-подсистемы должны обмениваться данными через коммутатор верхнего уровня, что позволяет избежать циклического обмена трафиком.

И, конечно же, сеть должна быть защищена от интенсивного широковещательного и группового трафика.

Настройка системы с использованием пакета Simatic Step 7

Для разработки систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров компания Siemens создала программную среду Simatic Step 7. Совместимость Step 7 с конкретным аппаратным обеспечением и версией операционной системы компьютера можно уточнить у специалиста. Заказной номер актуальной версии Simatic Step 7 в номенклатуре Siemens: 6FC5252-0AY00-0AG0. Производитель рекомендует использовать ее на аппаратном обеспечении SINUMERIK (так называется серия оборудования для станков с ЧПУ, в состав которой, в частности, входят рабочие станции).

Следует отметить, что наличие столь мощного программного пакета с интуитивно понятным интерфейсом является весомым аргументом в пользу выбора именно продукции Siemens для PROFINET. С промышленными контроллерами других производителей данный пакет работать не будет.

На протяжении многих лет пакет Step 7 использовался для программирования PROFIBUS-систем на основе промышленных контроллеров Siemens. Подготовлено огромное количество специалистов, в совершенстве владеющих этим пакетом. И хорошей новостью является то, что эти инвестиции в человеческий капитал при переходе на PROFINET не пропадут. Конфигурация для устройств PROFINET IO в этом пакете представлена точно так же, как и для PROFIBUS DP.

Каждому PROFINET-устройству в проекте разработчиком назначается свое имя. После включения IO-контроллера он автоматически назначит устройству IP-адрес, используя протокол DCP. Для активации режима быстрого запуска достаточно поставить галочку в меню параметров соответствующего устройства.

Одним из возможных вариантов идентификации PROFINET I/O-устройств в сети является использование топологии сети. Она создается в редакторе топологий, встроенном в Step 7. Кроме этого, есть возможность определения уже существующей топологии на основе протокола LLDP (Link Layer Discovery Protocol — протокол обнаружения канального уровня). Полевые устройства PROFINET обмениваются информацией об адресах с подключенными соседними устройствами по каждому порту коммутатора. Образно говоря, можно сказать, что устройства PROFINET знают своих соседей. Это позволяет однозначно идентифицировать устройства и определять их физическое местоположение.

Для каждого отдельного IO-устройства возможна индивидуальная настройка времени цикла в зависимости от его параметров и стоящих задач. Настоятельно рекомендуется осуществить такую настройку, так как она позволяет значительно повысить пропускную способность сети. Регулировка времени цикла осуществляется в Step 7 очень просто — нужно выбрать в списке IO-устройств необходимый элемент, выбрать меню Edit Update Time/Mode и задать время.

Для сетей Ethernet MAC-адрес устройства является основным идентификатором, и PROFINET устроена по тому же принципу. Мы привыкли, что MAC-адрес привязан к конкретному экземпляру «железа». Это означает, что при замене отдельного элемента системы в случае его выхода из строя придется заново все настраивать. А это, в свою очередь, ведет к остановке производственного процесса на длительное время и, как следствие, к упущенной выгоде. Следует отметить, что эта проблема не характерна для PROFINET. В данной системе идентификация устройств осуществляется на основе имен, загруженных в их память. Соответствие между MAC-адресами и именами устанавливается автоматически, пользователю нет необходимости со всем этим разбираться.

В оборудовании производства Siemens имя контроллера и его настройки записаны на сменном модуле памяти. Это может быть как карта памяти распространенного стандарта MMC (FC/SINAMICS G120, номер продукта 6SL3254-0AM00-0AA0), так и фирменный модуль C-Plug (номер продукта 6GK1900-0AB00).

Устройства общего доступа

Под устройством общего доступа (shared device) в PROFINET понимается IO-устройство, которому назначены два (или более) контроллера (рисунок 3). Разновидностью такого устройства является модуль общего доступа (shared input), с которого подключаемые контроллеры могут осуществлять чтение информации, но право осуществлять запись представлено только одному контроллеру. Примером shared device может являться ET200M IM 153-2 (номер продукта 6AG1153-2BA02-2XY0), а share input — ET200MP (номер продукта 6AG1155-5AA00-7AB0) при установке соответствующего режима работы.

Рис. 3. Пример подключения устройства общего доступа

Рис. 3. Пример подключения устройства общего доступа

Применение устройств общего доступа обеспечивает большую гибкость настройки системы для решения тех или задач.

Подключение «интеллектуальных» устройств

В качестве IO-устройства к оборудованию Siemens может быть подключен центральный контроллер, компьютер или иной прибор на основе микропроцессора. В частности, таким устройством может быть и IO-контроллер.

Для чего это нужно? Во-первых, подключение компьютера в качестве IO-устройства значительно упрощает настройку системы, так как для взаимодействия с ним используется стандартный интерфейс Profinet. Во-вторых, открываются возможности по интеграции в систему контроллеров производства других компаний.

Протокол MRP

Для повышения надежности в ряде случаев в системах промышленной автоматизации используется кольцевая топология сети. Восстановление после сбоя осуществляется при помощи протокола MRP (Media Redundancy Protocol), поддерживающего сети с количеством коммутаторов до 50.

В зависимости от установленных параметров и загрузки сети время восстановления в MRP для оборудования PROFINET от Siemens составляет от 10 до 200 мс.

По протоколу MRP целостность кольца контролируется путем передачи тестовых кадров данных в одну сторону и получения их по цепочке с другой стороны. Все данные, кроме тестовых кадров, блокируются на одном из двух кольцевых портов ведущего коммутатора (так называемого MRM-коммутатора), образуя фактически линейную топологию сети. Это позволяет предотвратить коллизии. При отсутствии тестовых кадров с другой стороны диагностируется разрыв кольца, тогда происходит разблокировка второго соединения, что восстанавливает передачу данных.

Остальные коммутаторы в кольце играют роль ведомых (MRC-коммутаторы), передавая кадры по цепочке с одного кольцевого порта в другой. Если MRM-коммутатор получил сообщение от MRC-коммутатора об отказе его кольцевого порта раньше, чем обнаружил отсутствие тестовых кадров, то он руководствуется этим предупреждением и активирует заблокированное соединение. Это позволяет уменьшить время восстановления сети.

В оборудовании PROFINET производства Siemens механизм MRP поддерживается IO-контроллерами, IO-устройствами, RT-оборудованием и IRT-оборудованием Scalance серий X200/300/400. В качестве примера можно привести коммутатор Scalance X308-M2 (номер продукта 6GK5308-2GG00-2AA2), а также коммутатор с расширенным диапазоном рабочих температур Scalance X302-7EEC (номер продукта 6GK5302-7GD00-1EA3).

В пакете Step 7 для настройки параметров MRP вводится следующая информация: имя домена, роль (клиент/сервер), какие два порта являются кольцевыми.

PROFIenergy

В своем развитии система PROFINET, конечно же, не могла обойти современные тенденции, ориентированные на максимальное энергосбережение. Так в 2010 году появился профиль PROFIenergy. Этот профиль используется для устройств, которые нельзя полностью выключить на то время, когда они не используются. Устройства, поддерживающие PROFIenergy, после получения команды от системы (центрального контроллера или контроллера-супервайзера) переходят через определенный промежуток времени в спящий режим. Также система включает устройство за заданный промежуток времени до начала использования, чтобы оно «прогрелось» и прошли переходные процессы.

Поддержка PROFIenergy осуществляется на уровне прошивки IO контроллера. Кроме этого, подключаемое к контроллеру оборудование должно иметь возможность управления энергосбережением через команды PROFIenergy. Поддержка PROFIenergy в продукции Siemens реализована в модулях серий ET200S, ET200SP, ET200MP, ET200Pro (в зависимости от версии прошивки). Примерами могут служить блок питания PM-E (номер продукта 6ES7138-4CB11-0AB0) и модуль пуска мотора (номер продукта 3RK1903-1BC00) в серии ET200S.

По каждому устройству в прошивке прописывается минимально допустимое время паузы и время включения (Time to Operate), т. е. время, требуемое на прогрев устройства. Эти данные, наряду с текущим состоянием и перечнем доступных функций энергосбережения, запрашиваются системой у IO-контроллера.

За время, равное значению Time to Operate, система передает на контроллер сигнал о завершении паузы (рисунок 4). После окончания времени, отведенного на запуск, IO-контроллер отвечает, что устройство готово к выполнению задания. И только после этого на устройство будут подаваться управляющие сигналы о выполнении каких-либо действий. Такая многоступенчатая система обеспечивает высокий уровень безопасности и защиту от поломки оборудования.

Рис. 4. Запуск оборудования после паузы

Рис. 4. Запуск оборудования после паузы

PROFINET CBA

Для коммуникаций типа «машина-машина» и общесистемных коммуникаций через Ethernet может использоваться стандарт PROFINET CBA. В его основе лежит представление набора модулей как сборки с входами и выходами, обеспечивающими взаимодействие с другими модулями. Как правило, производственный процесс делится на отдельные логически завершенные участки, для каждого из которых делается сборка. Например, если автоматизируется процесс производства средств бытовой химии, то в качестве отдельной сборки может выступать комплекс устройств для розлива средства по флаконам. Для проектирования производственного процесса на основе сборок с применением модулей производства Siemens предусмотрена специальная программа SIMATIC iMap (рисунок 5).

Рис. 5. Программа SIMATIC iMap

Рис. 5. Программа SIMATIC iMap

Эта программа, в частности, способна осуществлять гибкую реконфигурацию обмена данными. То есть назначение входов и выходов сборок, а также их топологию соединения можно менять для достижения оптимальных результатов. Созданная карта межкомпонентных соединений загружается в систему. При этом коммуникация устройств настраивается автоматически. Благодаря этому появляется возможность практически мгновенно перестраивать заводской конвейер на выпуск другой продукции. Использование PROFINET позволяет быстро приспосабливаться к изменению ситуации на рынке.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Siemens_PROFIBUS_NE_11_opt
•••

Наши информационные каналы

О компании SIEMENS

Основанная в Германии в 1847 году компания Siemens AG является сегодня крупнейшим электротехническим концерном, одним из мировых лидеров в области инженерных решений для широкого спектра отраслей промышленности. Концерн представлен в более 190 странах мира и объединяет свыше 405 тысяч сотрудников. Компания является сегодня крупнейшим электротехническим концерном, мировым лидером в области инженерных решений для различных отраслей промышленности, транспорта и связи. Слово «Siemens» является дл ...читать далее