PROFINET: architetture innovative e prestazioni sempre al vertice

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1 PROFINET: architetture innovative e prestazioni sempre al vertice Paolo Ferrari Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Università di Brescia, Via Branze Brescia (Italy) Tel: fax: paolo.ferrari@ing.unibs.it CSMT Gestione Scarl Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET - Brescia PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 1

2 Sommario di oggi Parliamo di PROFINET, cioè di Protocollo di comunicazione scalabile Ridondanza Configuration in Run (CiR) Integrazione di altri fieldbus Architetture di rete e nuove possibilità Sicurezza funzionale Wireless (PROFIenergy) PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 2

3 La comunicazione in PROFINET Comunicazione standard Automazione di fabbrica RT_Class 1 Applicazioni al Motion Control RT_Class 2 e 3 IT Services, TCP/IP Real-Time: 100ms 10ms <1ms IRT Una mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessità degli utilizzatori Comunicazione Real-Time scalabile fino all isocrono Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizioni e tutto su un unica rete = integrazione orizzontale e verticale PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 3

4 PROFINET IO: terminologia PROFINET IO-Controller: Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnati Dispositivo che contiene il programma applicativo PROFINET IO-Device: Dispositivo di campo collegata all IO-Controller PROFINET IO-Supervisor: HMI e diagnostica della stazione PROFINET IO-System Comprende un IO-controller e i suoi IO-Device DP Master system DP Master DP Slave Confronto nomi PROFIBUS con nomi PROFINET PROFINET IO System PROFINET IO-Controller PROFINET IO-Device DP Master classe 2 PROFINET IO-Supervisor PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 4

5 PROFINET IO: relazioni tra i dispositivi Il programma applicativo accede ai dati di processo tramite l immagine del PLC es. PLC IO-Controller Diagnostica Up/Download Programmazione dei dispositivi/pc: PROFINET IO-Supervisor Commissioning, diagnostica Ethernet Configurazione Dati di processo Allarmi Field Device IO-Device Lettura e scrittura I/O Diagnostica Status/Control Parametrizzazione PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 5

6 PROFINET IO: scambio dati tra controller e device Tra l IO-Controller and IO-Device esiste relazione Si possono scambiare diversi tipi di dati: configurazione, dati di processo e allarmi Lo scambio dati non deve essere simmetrico NON è un master slave! Canale Standard Configurazione Canale Real-Time Dati di processo Canale Real-Time Allarmi IO-Controller Record data CR IO data CR Alarm CR AR IO-Device PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 6

7 PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali.. Non RTE 15% 100% msec 10 msec IRT= isochronous real time (hardware) 100 msec RT= real time Cl. 1 t TCP, DCOM, IP, HTTP PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 7

8 PROFINET IO: Lo stack di comunicazione RT Doppio canale per i dati Componenti con funzionalità diverse convivono nella stessa rete IT applications e.g. HTTP SNMP 1 PROFINET applications DHCP... Standard data Real-time data 1 Canale TCP/IP standard Parametrizzazione dispositivi Dati diagnostici Inizializzazione collegamenti Negoziazione del canale di comunicazione TCP/ UDP IP Ethernet Real-time switch ASIC Real-time 2 RT 3 IRT Real-time 2 Canale Real-time RT Trasferimento hi-performance Dati ciclici Trasferimento su evento 3 Real-time channel IRT Trasferimento hi-performance Dati isocroni Jitter <1µsec PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 8

9 PROFINET IO: Il ciclo Real-Time La durata del ciclo di scambio dati PROFINET IO può essere impostata secondi diversi criteri Unica per tutta la rete (tutti gli IO-Device usano lo stesso tempo) Specifica per ogni IO-Device Specifica per ogni IO-CR (ogni modulo interno ad ogni device ha la sua durata del ciclo di scambio dati) IO-Contr IO-Dev 4 IO-Dev 3 IO-Dev 2 IO-Dev 1 SendClock IO-Dev 1 Tempo PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 9

10 Ridondanza in PROFINET IO PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 10

11 PROFINET IO: Ridondanza a basso livello La ridondanza (livello 2) in PROFINET viene usata per aumentare la disponibilità dell impianto La struttura per realizzare la ridondanza in PROFINET è l anello (ring) Con la struttura ad anello, ogni dispositivo può essere raggiunto con due percorsi differenti L anello può essere agevolmente creato a partire da una topologia lineare semplicemente aggiungendo un link Nelle reti Ethernet però non è sufficiente aggiungere il link, bisogna anche introdurre la figura del redundancy manager (RM) che si assicura che frame multicast non ricircolino all infinito PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 11

12 PROFINET IO: funzionamento MRP (Media Redundancy Protocol) PROFINET per default usa l MRP Il tempo massimo per il switchover è 200 ms Attraverso il protocollo LLDP ogni stazione conosce i suoi vicini e sa se la ridondanza è attivata Porte ridondate Sorgente Station 1 Managed Switch I dati di processo viaggiano solo sul percorso selezionato dall RM Stazione 2 Stazione 3 Process Data Stazione 8 Stazione 7 L RM verifica l integrità dell anello inviando dei test frame Test Frame Stazione 4 Stazione 6 Redundnacy manager Stazione 5 Destinazione PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 12

13 PROFINET IO: Ridondanza a livello di sistema Basta ridondare la connessione logica (AR) La rete può essere realizzata in modo arbitrario Collegamenti multipli alla stessa rete Rete ridondata (es. due reti separate) PNIO- Controller PNIO- Controller Host /Controller Link non è parte delle specifiche PROFINET PROFINET IO network 2 connessioni logiche PNIO-Device PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 13

14 PROFINET IO: Ridondanza a livello di sistema NAP: Network Access Point NAP S1: NAP singolo con una AR per ogni relazione System-Redundancy (1 totali) NAP S2: NAP singolo con due AR per ogni relazione System-Redundancy (2 totali) NAP R1: NAP ridondato con una AR per ogni relazione System-Redundancy (2 totali) NAP R2: NAP ridondato con due AR per ogni relazione System-Redundancy (4 totali) PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 14

15 PROFINET IO: Ridondanza con NAP singolo NAP S2: ridondanza a livello software interno all IO-Device SRL: System Redundancy Layer (nell IO-Device) PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 15

16 PROFINET IO: Ridondanza con NAP ridondato NAP R1: una AR per ogni accesso alla rete PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 16

17 PROFINET IO: Ridondanza con NAP ridondato NAP R2: due AR per ogni accesso alla rete PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 17

18 Configuration in Run per PROFINET IO PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 18

19 PROFINET IO: Configuration in Run - CiR Cambiare la configurazione ad un dispositivo senza fermare la rete Si basa sulla realizzazione di una connessione secondaria (CiR-AR) mentre la primaria continua ad esistere Completato l avvio e la configurazione della relazione alternativa, l IO-Controller commuta Successivamente la connessione originaria può essere eliminata PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 19

20 PROFINET IO: Ridondanza e CiR La logica CiR è utile per i sistemi ridondati Configuro un IO-Controller mentre lavoro con l altro Il meccanismo è uguale a prima solo che le due AR sono verso due IO-Controller diversi PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 20

21 Integrazione di altri bus di campo in PROFINET IO PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 21

22 PROFINET estende l integrazione Integrazione con gli altri bus di campo grazie alla tecnologia Proxy Integrazione trasparente senza necessità di programmazione Ancora una volta protezione degli investimenti! PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 22

23 PROFINET IO per l automazione di processo Scambio dati a tutti i livelli della fabbrica DCS ERP MES Ethernet backbone PROFIBUS DP PROFIBUS PA PROFINET HART FF H1 PROFINET PROXY PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 24

24 Nuove architetture con PROFINET IO PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 25

25 PROFINET IO: Shared device Due o più controller possono gestire lo stesso device Ogni controller gestisce un gruppo di ingressi e uscite Non è necessario che siano fisicamente raggruppati IO-Controller 1 IO-Controller 2 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 26

26 PROFINET IO: Intelligent device Dialogo tra controllori Un dispositivo può essere contemporaneamente IO-controller e IO-Device I controllori possono essere gestiti in progetti separati I dati scambiati sono direttamente nella memoria dei controllori Non sono necessari accoppiatori per separare due reti IO-Controller 1 CPU1 IO-Device 1 CPU2 IO-Controller 2 IO-Device 2 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 27

27 PROFINET IO: Intelligent device + Shared device Combinazione delle precedenti architetture Flessibilità e semplicità IO controller 1 IO controller 2 (local) IO controller 1 IE / PROFINET IE / PROFINET I-Device + Shared Device IO device 1 Sottosistemi separati Translucent I/O PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 28

28 PROFINET IO: Riconoscimento automatico della topologia I dispostivi PROFINET IO supportano il protocollo LLDP che permette di ricostruire la topologia della rete (anche dopo averla cablata) PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 29

29 PROFINET IO: Sostituzione di un dispositivo difettoso. Rimuovere il dispositivo difettoso Rimuovere la scheda di memoria non volatile Sostituire il dispositivo con quello nuovo e funzionante Reinserire la scheda di memoria Riavviare il sistema: il controller riassegna l indirizzo IP e il dispositivo è di nuovo pronto PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 30

30 PROFIsafe PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 31

31 PROFIsafe: sicurezza funzionale a tutti i livelli La sicurezza funzionale è un requisito irrinunciabile ma è anche un grosso vantaggio Personale Impianti Ambiente PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 32

32 La soluzione è PROFIsafe Caratteristiche principali di PROFIsafe Funzioni standard e di sicurezza su un unico cavo: un solo sistema di sviluppo = riduzioni costi Certificato SIL 3, AK6 e CAT 4 nella EN954-1 Basato su IEC e IEC PLC con funzione fail-safe Sicurezza per mezzo di software aggiuntivo in ogni componete Componente standard Componente fail-safe I/O Fail-safe I/O Standard Azionam. Dispositivo failsafe PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 33

33 PROFIsafe: Come funziona Applicazione sicura Applicazione Standard, e.g. diagnostica Applicazione Standard, e.g. diagnostica Applicazione sicura Livello PROFIsafe Livello PROFIsafe Livello PROFIsafe Protocol Standard Protocol Standard Black Channel" Messaggio standard PROFIBUS o PROFINET IO S S S S PROFINET IO, PROFIBUS-DP, Backplane F Input/Output Data Status / Control Byte CRC2 across F data and F parameter and Vconsnr_h Max. 12 / 123 Bytes 1 Byte 3/4 Bytes *) *) 3 Bytes per un massimo di 12 Byte F I/O data 4 Byte for a max. of 123 Bytes F I/O data PROFIsafe Container = dati sicuri PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 34

34 PROFIsafe: Sicurezza funzionale su tutto il percorso F- Host IO Controller Intrinsic Safety (Ex-i) Oppure con RS485-IS Es. per valvole ESD ad alta velocità Local bus PROFINET IO PN IO/ DP Link RS485 DP-PA Link MBP-IS Actuator PA Device Remote I/O F D I F D O D ev i c e F Device F A I PN IO PROFINET IO transmission MBP-IS Data transmission for explosion-proof areas RS485 High speed data transmission F-DI Fail-safe digital input F-DO Fail-safe digital output F-AI Fail-safe analog input PA Device Device according process automation device model (IEC 61804) PA Device model acc. IEC 61804: - Physical Block - Function Block(s) - Transducer Block PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 35

35 PROFIsafe + Shared Device Originariamente sistema di sicurezza e automazione sono su due reti separate. Il dialogo avviene con linee IO convenzionali Ora è possibile mescolare moduli sicuri e moduli normali sullo stesso shared-device. Ogni controller comanda solo i suoi IO. Il PLC di sicurezza ha un suo progetto separato. F-IO controller IO controller F-IO controller IO controller IE / PROFINET PN / PROFIsafety IE / PROFINET PN / PROFIsafety PM F-DI F-PM DO PM DI DO PM F-DI DI F-PM DO IO Device as Shared Device E-Stop E-Stop K1 External Power Supply External Power Supply PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 36

36 PROFINET Wireless PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 37

37 Wireless: flessibilità dell architettura L utilizzo di tecnologie wireless libera dai vincoli del cavo Facile scalabilità, manutenzione ridotta Soluzioni wireless hanno specifiche diverse per l automazione di processo e di fabbrica Automazione di processo: lunghi tempi di ciclo, range esteso, consumo ridotto al minimo Automazione di fabbrica: brevissimi tempi di ciclo, certezza del trasferimento dei dati PROFINET IO utilizza: WirelessHART per il processo WiFi e Bluetooth per l automazione di fabbrica PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 38

38 PROFINET IO:esempio di Proxy verso WirelessHART WirelessHART è l estensione wireless del popolare HART WirelessHART è l unico standard wireless per il processo con prodotti disponibili PROFIBUS International ha costituito il Wireless Cooperation Team per permettere ai prodotti WirelessHART di essere integrati con reti PROFINET e PROFIBUS DP-Addr 1 DP-Addr DPM DPS DP-Addr Link HART ID HART ID PB WirelessHART HART ID HART ID HART Adapter 8 HART ID HART Sensor HART Actor HART Sensor HART ID HART Actors 7 HART ID HART Sensor 6 HART HART ID HART Sensor 7 Real structure WCT Wireless Cooperation Team DP-Addr 1 DP-Addr DPM Slots DPS DP-Addr FB Virtual structure Modular model HART COMMUNICATION FOUNDATION PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 39

39 PROFIenergy PROFINET per i sistemi ad elevata efficienza energetica PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 40

40 PROFIenergy: il profilo per il risparmio energetico Solo soluzioni rapide e semplici sono applicabili nella realtà Facilità di approccio con l uso di famiglie di prodotto e meccanismi di Costruttori di macchine progettazione noti Protezione degli investimenti tramite l espansione di programmi esistenti Basse richieste di programmazione grazie ai blocchi funzionali Vantaggio competitivi con il marketing legato alle macchine a basso consumo Proprietari di impianto Risparmio di energia spegnendo i carichi non richiesti Riduzione dei costi di produzione per mantenere competitività Rispetto dei protocolli/accordi/vincoli di protezione dell ambiente Protezione degli investimenti con l aggiornamento degli standard PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 41

41 Perché PROFIenergy? Soluzioni attuali sono poco efficaci Attivazione/disattivazione manuale Time consuming Avvio non affidabile Solitamente un solo interruttore Controller HMI Uso di hardware aggiuntivo Richiede spazio e investimenti Richiede progettazione e manutenzione Programmazione personalizzata Soluzioni discrete sono spesso rifiutate, rinunciando, come conseguenza, alle possibilità di risparmio Hardware supplementare DC24V Distributed I/O Motion Control & Drives PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 42

42 PROFIenergy: vantaggi PROFIenergy consente di risparmiare spegnendo i carichi non richiesti Cinque vantaggi Riduzione costi perché non è richiesto hardware aggiuntivo Scelta non vincolata dei componenti poiché lo standard è vendor-independent Protezione degli investimenti grazie all integrazione senza conseguenze negli standard esistenti Risparmio di energia anche durante pause brevi Affidabilità aumentata del sistema grazie al coordinamento Controller Distributed I/O HMI Motion Control & Drives DC24V PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 43

43 Conclusioni PROFINET è una tecnologia aperta Scalabilità di prodotti e soluzioni Coesistenza piena con qualunque applicazione TCP/IP Ridondanza di rete e sistema per aumentare la disponibilità Wireless per le soluzioni flessibili e innovative PROFIsafe per la sicurezza Leader del mercato PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 44

44 Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET: Contatti supporto: profinet@csmt.it Segreteria CSMT con riferimento a: Sig.na Roberta Codenotti Tel.: profinet@csmt.it I contatti tecnici vengono tenuti da: Prof. Paolo Ferrari Tel.: paolo.ferrari@ing.unibs.it Dr. Ing. Francesco Venturini, PhD Tel.: francesco.venturini@ing.unibs.it PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 45