Verifica sperimentale di PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri

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1 Verifica sperimentale di IO in grandi impianti manifatturieri Paolo Ferrari Università di Brescia, Via Branze Brescia (Italy) Tel: fax: CSMT Gestione Scarl, Centro Brescia - PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 1 IO si è diffuso in tanti settori Manifatturiero e automotive Impianti produzione automobili (es. Volkswagen) Sistemi riconfigurabili per impianti produttivi flessibili Protezione degli investimenti Logistica, magazzini e smistamento Nastri trasportatori, smistamento bagagli e posta Trasporto aereo, carrelli senza fili Sistemi a ciclo chiuso meccanicamente complessi Navi mercantili Applicazioni High-End Robotica, motion control Macchinari per stampa offset (rotative) PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 2

2 Il nostro obiettivo: Misurare le prestazioni in impianti reali Il background: Centro di Competenza Eccellenti contatti con i costruttori Imparzialità e interesse scientifico Esperienza nel settore degli audit L obiettivo Individuare una rete complessa Test su rete completamente funzionante Ottenere indici di performance facilmente comprensibili Obiettivo a lungo termine Utilizzare i parametri trovati per costruire simulatori PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 3 IO RT non sincronizzato PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 4

3 La comunicazione in Comunicazione standard Automazione di fabbrica RT_Class 1 Applicazioni al Motion Control RT_Class 2 e 3 100ms IT Services, TCP/IP Real-Time: 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 & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 5 IO: terminologia IO-Controller: Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnati Dispositivo che contiene il programma applicativo IO-Device: Dispositivo di campo collegata all IO-Controller IO-Supervisor: HMI e diagnostica della stazione IO-System Comprende un IO-controller e i suoi IO-Device Confronto nomi PROFIBUS con nomi DP Master system IO System DP Master IO-Controller DP Slave IO-Device DP Master classe 2 IO-Supervisor PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 6

4 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: IO-Supervisor Commissioning, diagnostica Ethernet Configurazione Dati di processo Allarmi Field Device IO-Device Lettura e scrittura I/O Diagnostica Status/Control Parametrizzazione PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 7 IO: Lo stack di comunicazione RT Doppio canale per i dati Strategia best effort IT-Applications e.g. HTTP SNMP DHCP... 1 TCP/UDP IP Applications Standard- Data Ethernet Real-Time- Data 2 Real-Time RT 1 Canale aperto per UDP/IP Parametrizzazione e configurazione Device Lettura dati diagnostici Negoziazione del canale di comunicazione per I dati utente 2 Canale Real-Time RT Scambio ciclico performante per dati utente Messaggi/allarmi basati su eventi PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 8

5 IO: Il ciclo Real-Time non sincronizzato Lo scambio dati in IO avviene su base ripetitiva (ciclico) La durata del ciclo di scambio dati IO può essere impostata secondi diversi criteri. Esempio: Unica per tutta la rete (tutti gli IO-Device usano lo stesso tempo) Specifica per ogni IO-Device In IO RT non sincronizzato, l inizio del ciclo non è univoco in tutti i dispositivi. Ogni dispositivo calcola il tempo di ciclo con il suo quarzo. IO-Contr IO-Dev 4 IO-Dev 3 IO-Dev 2 IO-Dev 1 La fase temporale tra due dispositivi non è costante! SendClock IO-Dev 1 Tempo PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 9 Esempio performance IO RT in una rete di grandi dimensioni PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 10

6 La rete sotto test Switch IO-Device IO-Controller Switch con redundancy ring (MRP) 115 IO- Device (circa 1000 I/O, 30 azionamenti etc. etc.) 1 IO-Controller 30% di traffico IO RT (heavy loaded network!) PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 11 Architettura complessa Architettura mista stella, festone e anello Stelle Anello Festoni PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 12

7 Dispositivi multivendor Dispositivi IO-Device di costruttori e modelli diversi Anonimato per i produttori IO-Device Nominal cycle time T DE [ms] Payload [Byte In/Out] Instances A 2 40/40 23 B 2 40/40 29 C 2 40/40 10 D /40 11 E 2 179/83 8 F 2 40/40 7 G 4 40/40 27 S (switch) IO modulari Azionamenti Encoder HMI Avvitatori Valvole Azionamenti PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 13 Come realizzare la misura Il traffico è diretto da e verso il PLC tutti i dispostivi parlano con il PLC il PLC comunica con tutti Traffico unicast IO usa messaggi unicast visibili solo sul link interessato Soluzione: TAP Ethernet in serie all IO-Controller Copia il traffico e lo invia IO-Controller ad un PC che lo registra Timestamp accurato assegnato ad ogni pacchetto (risoluzione 5 ns) 11 Tap 1 2 Monitor Station PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 14

8 Implementazione pratica PLC PC monitor TAP Switch PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 15 Analisi del traffico Quasi totalità traffico profinet (>27 Mbit/s per direzione) presente TCP visibile traffico di sincronizzazione (PTCP): non utilizzato PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 16

9 Analisi del traffico Dimensione dei pacchetti la minima possibile rete molto caricata molti pacchetti da smistare ogni secondo PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 17 Analisi della ripetitività temporale Sistema di riferimento temporale univoco: timestamp del TAP Calcoliamo il tempo di ciclo reale Variazioni rispetto a quello impostato Metriche: Deviazione standard Jitter: massima variazione (Valore max - Valore min) Analisi di tutti i dispostivi, raggruppati per modello PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 18

10 Analisi della ripetitività temporale dell IO-Controller Due dispostivi dello stesso modello IO-C to IO D Average T DE [μs] Std. Dev. T DE [μs] Jitter [μs] A A B C C D E E F F G G Max 6 μs Max 100 μs PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 19 Analisi della ripetitività temporale degli IO-Device Due dispostivi dello stesso modello IO-D to IOC Average T DE [μs ] Std. Dev. T DE [μs] Jitter [μs] A A B C C D E E F F G G Max 50 μs Max 0.6 ms PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 20

11 Analisi della ripetitività temporale degli IO-Device HMI IO-D to IOC Average T DE [μs ] Std. Dev. T DE [μs] Jitter [μs] A A B C C D E E F F G G Implementazione totalmente software PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 21 Analisi della variabilità introdotta dalla rete La variabilità associata agli IO-Device dipende anche dal fatto che il traffico deve attraversare la rete. Dispositivi più distanti hanno variabilità maggiori Samples Dispositivo vicino (F-1) μs 590 μs Samples Dispositivo lontano (B-1) TDE [ms] TDE [ms] PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 22

12 Analisi della performance L IO-Controller è in grado di sostenere un traffico elevato con un una ripetibilità estremamente spinta (6 μs) La rete introduce una variabilità limitata sul traffico. Il massimo jitter misurato è stato di 0.6 ms. La soluzione IO RT (non sincronizzato) è in grado di fornire prestazioni ottime anche in reti complesse. Rif. Bibliografici P. Ferrari, A. Flammini, F. Venturini, A. Augelli, "Large IO RT networks for factory automation: a case study", Proceedings of the 16th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. ETFA2011, Toulouse, France, September 5-10, 2011, pp. 1-4, IEEE catalog number: CFP11ETF-USB, ISBN: , /11. PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 23 Note ulteriori I malfunzionamenti, come sempre, sono quasi sempre relativi ai cablaggi! Il livello fisico di (industrial) Ethernet è adeguatamente robusto. Errori nella realizzazione dei connettori. Errori nella posa dei cavi. PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 24

13 Evitare il troubleshooting fai da te Usare le guide di installazione Sì No PROFIBUS & Competence Center 2011 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 25

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