Applicazioni ad alte prestazioni e risparmio energetico con PROFINET

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1 Applicazioni ad alte prestazioni e risparmio energetico con PROFINET 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 Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca 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 Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 1

2 Real-time PROFINET IO: Lo stack di comunicazione Doppio canale per i dati Soluzione con switch integrato riduce i costi IT applications e.g. HTTP SNMP DHCP... 1 TCP/ UDP IP Standard data PROFINET applications Real-time data 2 RT 1 Canale TCP/IP standard Parametrizzazione dispositivi Dati diagnostici Inizializzazione collegamenti Negoziazione del canale di comunicazione 2 Canale Real-time RT Trasferimento hi-performance Dati ciclici Trasferimento su evento Ethernet Real-time switch ASIC 2 RT 3 IRT Real-time 3 Real-time channel IRT Trasferimento hi-performance Dati isocroni Jitter <1μsec Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca La mappa delle caratteristiche di PROFINET Le caratteristiche di un dispositivo PROFINET dipendono dalla «Conformance Class» (CC) Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 2

3 Numero di applicazioni Le prestazioni? In PROFINET non saranno mai un problema Prestazioni e numerosità di applicazioni reali a confronto 8 ms 1 ms 250 us 125 us 62.5 us us 95% 4% 0.9% 0.09% 0.01% Prestazioni sistema Automazione di fabbrica e processo Motion control PROFINET IO RT PROFINET IO IRT senza DFP e senza frammentazione Limite applicazioni reali attuali Unico controllore reale industry grade PROFINET IO IRT con DFP e frammentazione Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFINET IO: Real-Time Ethernet in modo isocrono Separazione nel tempo del traffico a priorità maggiore nel tempo I dati isocroni usano un canale separato nel tempo. E ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP. Sincronizzazione basata su PTCP (Precision Transparent Clock Protocol) Open Open IRT channel IRT channel channel (TCP/IP) channel (TCP/IP) Cycle 1 Cycle 2 Cycle n E.g. 1 ms position control cycle Synchronization Deterministic communication IRT data Open communication TCP/IP data Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 3

4 PROFINET IO: Le fasi del ciclo comunicazione ROSSA: solo traffico RT_Class 3 Comunicazione isocrona ARANCIONE: solo traffico RT_Class 2 VERDE: RT_Class 2, RT_Class 1 e altro traffico ethernet (es. IP, TCP) GIALLA: fase di transizione t Sendclock 31,25us<= T sendclock <=4ms T 60%... RT Class 3 RED (optional) RT Class 2 ORANGE (optional) Prio 7 Prio 6 RT Class 2/1 Prio 6 Prio 5 GREEN (mandatory)... Prio 0 YELLOW (optional)... Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFINET IO: Integrazione con l infrastruttura esistente IRT IRT Sync master IRT IRT IRT IRT IRT network WWW Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 4

5 PROFINET IO: Dynamic Frame Packing Introdotto dalla versione V2.3 Ottimizza l efficienza di trasporto delle topologie lineari I dati di vari device vengono incapsulati in un singolo frame Controller Device 1 Device 2 Device 3 t medium space t forward Header Datagram 3 Header t propag. t update_time Datagram 2 Datagram 3 Header Direzione uscita Datagram 1 FCS Datagram 2 FCS Datagram 3 FCS t frame t Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFINET IO: Dynamic Frame Packing Ogni datagramma è protetto da un checksum a 16bit update event Controller Device 1 Device 2 Device 3 space Header Header Header Datagram 1 Datagram 2 Datagram 2 Datagram 3 Datagram 3 FCS Direzione ingresso t Datagram 3 FCS FCS Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 5

6 Esempio di performance estreme (sistema motion control) Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 evice di cui 24 drive e 1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 110 I/O digitali e 30 I/O analogici) Il payload dati di processo in PROFINET IO - Profidrive è pari a Totale: 16 byte input + 16 byte output I frame PROFINET Profidrive occupano quindi frame input (da a IO-C): 6.72 us frame output (da IO-C a ): 6.72 us IO-C Controller Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca Esempio di performance estreme (sistema motion control) Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 evice di cui 24 drive e 1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 110 I/O digitali e 30 I/O analogici) Senza DFP Tempo riservato per PROFINET IRT : 95 us Tempo di ciclo minimo: 250 us [60% per TCP] Con DFP attivato e fast forwarding (6 byte overhead per device) I frame PROFINET occupano quindi frame input (da a IO-C): us frame output (da IO-C a ): us Tempo riservato per PROFINET IRT : 31 us Tempo di ciclo minimo: 62.5 us [50% per TCP] IO-C Controller Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 6

7 Performance di isocronia Caratteristiche di isocronia di PROFINET IRT Implementazione standard con interfacce PROFINET commerciali Sistema con controllore S7300 standard Misura del tempo di reazione ad un evento in campo: tempo necessario per accorgersi del cambio di un ingresso e reagire cambiando un uscita Misure eseguite nei laboratori dell Università di Brescia nanosecondi Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy PROFINET per i sistemi ad elevata efficienza energetica Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 7

8 Efficienza energetica L attenzione riposta dalle aziende nei confronti delle problematiche di efficienza energetica dipendono dai costi crescenti dell energia. Ridurre il consumo per unità prodotta significa mantenere competitività e profitto. Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca La fabbrica verde L efficienza energetica, riveste sempre più importanza anche presso gli utilizzatori d automazione Eì necessario avviare delle iniziative con l obiettivo di analizzare ed indicare possibili aree d intervento per migliorare efficienza energetica nei siti produttivi Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 8

9 Costruttori di macchine Proprietari di impianto 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 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 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 Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: come ridurre il consumo? Blocco Motore Spegnimento dei carichi Taglio del carburante Start-Stop automatico Ottimizzazione del consumo nelle pause brevi Massimo risparmio nelle pause lunghe Utilizzo di energie alternative Riduzione dei pesi e basso coeff. aereodinamico Utilizzo di energie alternative Adeguate misure Costruttive Degli impianti Motori efficienti Recupero di energia con motori ibridi Drive efficienti con motori EFF1 EFF2 Recupero di energia Utilizzo di convertitori Di frequenza Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 9

10 Device manufacturer Plant constructor PROFIenergy on PROFINET Energy consumption PROFIenergy: risparmio in ogni pausa Non è necessario agire in un solo modo in tutto l impianto Pause Weekend / chiusura Operation Pause Operation Plant Part 1 Pause Operation Plant Part 2 Pause Operation Plant Part 3 Pause Shift 1 Load Time Pause Energy saving mode Weekly Schedule Curva di carico giorni Shift 1 Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: Esempio Si parte dalla situazione normale nello stato produzione Situazione Normale: Produzione Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 10

11 Device manufacturer PROFIenergy on PROFINET Plant constructor Device manufacturer PROFIenergy on PROFINET Plant constructor CSMT e CSMT e Università di Brescia - Centro di PROFIenergy: Esempio 1 1 Start Pausa Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: Esempio 2 IL PLC Verifica lo stato dell impianto Determina i nodi Invia il comando PROFIenergy Start_Pause Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 11

12 Device manufacturer Device manufacturer Plant constructor PROFIenergy on PROFINET Plant constructor PROFIenergy on PROFINET PROFIenergy: Esempio 3 I nodi elaborano il comando the PROFIenergy e attivano la funzione energy saving richiesta Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: Esempio 4 4 Il consumo totale di energia viene ridotto in modo sincrono da tutte le macchine individualmente Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 12

13 Device manufacturer Device manufacturer Plant constructor PROFIenergy on PROFINET Plant constructor PROFIenergy on PROFINET PROFIenergy: Esempio 5 5 Al termine della pausa, il PLC invia il comando the PROFIenergy End_Pause Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: Esempio 6 I nodi tornano ad essere operativi Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 13

14 Optimized usage via automation PEC Device manufacturer PROFIenergy on PROFINET Plant constructor CSMT e CSMT e Università di Brescia - Centro di PROFIenergy: Esempio 7 7 Il consumo ritorna a crescere Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: PEC - Power Efficiency Control Componenti progettati per l efficienza energetica Spegnimento del singolo componente durante le pause Spegnimento di intere macchine o parti di impianto Energy Consumption 100% 70% 20% Monitoring & Maintenance Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca Time profilab@csmt.it 14

15 PROFIenergy: vantaggi dell architettura adottata PROFIenergy consente di risparmiare spegnendo i carichi non richiesti Cinque vantaggi Riduzione costi perché non è richiesto hardware aggiuntivo Controller HMI 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 Distributed I/O Motion Control & Drives DC24V Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: il modello a stati del profilo Diversi stati di energy saving Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 15

16 PROFIenergy: esempio dell uso di più stati Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: il modello a stati del profilo Cambio di stato tramite mediante la scrittura di parametri Start_Pause(PE_Energy_saving_mode, tpause), End_Pause(PE_Energy_mode_ready_to_operate). PE_ready_to_operate PE_energy_saving_mode t t off t off-min t on t Pause Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 16

17 PROFIenergy PROFIenergy: implementazione del profilo Semplice perchè basata su comandi PROFINET standard Controller Trigger request Read response / fetch data WR_REC + RD_REC = PROFIenergy command Device Execution of command / processing of data Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: l interfaccia del profilo Comandi e status definiti nel profilo sono identici per ogni dispositivo Commands Start_Pause End_Pause PE_START_PAUSE PE_END_PAUSE Status Functions Device_Identify Query_Modes PEM_Status Query_Measurement PE_INFO Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 17

18 PROFIenergy: supporto alla misura dell energia consumata PROFIenergy supporta la raccolta dei dati relativa ai consumi Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca PROFIenergy: conclusioni L implementazione di PROFIenergy in dispositivi che già offrono un interfaccia PROFINET è estremamente semplice. Una efficace soluzione per un agevole gestione energetica. L idea è molto semplice: la possibilità di ridurre i consumi deve essere considerata come una caratteristica integrata nei dispositivi che andranno ad essere utilizzati negli impianti, sia nel caso in cui si tratti di semplici dispositivi sia nel caso di complessi sistemi d automazione. Il focus iniziale di PROFIEnergy è rivolto all energia elettrica, ma altre risorse energetiche utilizzate negli impianti produttivi, richiedono una gestione più efficiente. Funzioni per la gestione di risorse come il gas, il vapore, aria compressa e l acqua, saranno considerate negli sviluppi futuri di PROFIEnergy. Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 18

19 PROFILAB: Contatti supporto: Segreteria CSMT con riferimento a: Sig.ra Roberta Codenotti Tel.: I contatti tecnici vengono tenuti da: Prof. Paolo Ferrari Tel.: Dr. Ing. Francesco Venturini, PhD Tel.: Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2015 CSMT e Università di Brescia Villafranca profilab@csmt.it 19