PROFINET in impianto: esperienze vissute, opportunità immediate e visione futura

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1 : esperienze vissute, opportunità immediate e visione futura Paolo Ferrari Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Università di Brescia Via Branze Brescia (Italy) CSMT Gestione Scarl Centro di Competenza - Brescia Tel: fax: paolo.ferrari@unibs.it La parola che meglio definisce PROFINET IO? «Scalabile» In base all applicazione si possono scegliere le prestazioni da richiedere ai componenti Diversi componenti PROFINET IO con prestazioni differenti convivono nella stessa rete Scalabilità in tutte le direzioni Prestazioni Ridondanza Gestione della rete Profili dedicati (es. PROFIdrive PROFIenergy) Paolo Ferrari 1

2 La comunicazione in PROFINET? uniforme Comunicazione standard Automazione di fabbrica e processo RT_Class 1 Applicazioni al Motion Control RT_Class 2 e 3 IT Services, TCP/IP Real-Time: 100ms 10ms <1ms IRT Un mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessità Comunicazione Real-Time scalabile fino all isocrono Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizioni Unica rete = integrazione orizzontale e verticale La mappa delle caratteristiche di PROFINET Le caratteristiche di un dispositivo PROFINET dipendono dalla «Conformance Class» (CC) Paolo Ferrari 2

3 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 Numero di applicazioni 95% 4% 0.9% 0.09% 0.01% Prestazioni sistema 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 Progettazione di una rete PROFINET IO Paolo Ferrari 3

4 PROFINET IO: progettazione della rete Regola 1: non si può andare oltre la capacità nominale del link (Esempio: rete Ethernet 100BaseT = 100Mbit/s massimo in ogni link) Regola 2: Switched ethernet è full duplex: ogni stazione può ricevere e trasmettere contemporaneamente Regola 3: link diversi possono trasportare contemporaneamente il massimo della capacità nominale Regola 4: Un messaggio Ethernet attraversa tutti e soli gli switch e i link tra sorgente e destinazione Regola 5: i messaggi broadcast si propagano in tutti i link Regola 6: il traffico dovuto a PROFINET può occupare massimo il 60% della capacità di un link (il resto deve essere libero per gli altri tipi di traffico) PROFINET IO: errori di progettazione nella topologia (1) È importante considerare il carico di rete dato dai dispositivi, sia PROFINET sia di terza parti Paolo Ferrari 4

5 PROFINET IO: errori di progettazione nella topologia (2) Evitare colli di bottiglia Usare il più alto ciclo di aggiornamento PROFINET compatibile con l applicazione PROFINET IO: limiti? Non esiste un limite al traffico in una rete PROFINET Ricordarsi solo di rispettare le regole precedenti Attenzione ai componenti di infrastruttura (switch, connettori) che si usano: di solito costo e prestazioni sono direttamente proporzionali! Paolo Ferrari 5

6 Evitare le soluzioni fatte in casa. usare invece le linee guida di progettazione e installazione! CSMT GESTIONE SCARL - Brescia Yes No PROFIBUS Paolo & PROFINET Ferrari Competence Centro di Competenza Center 2011 PROFIBUS Università Brescia e PROFINET - CSMT Gestione Brescia Scarl CSMT Gestione Scarl Paolo Università Ferrari di Brescia 11 Diagnostica e manutenzione di una rete PROFINET IO Paolo Ferrari 6

7 Perchè fare diagnostica di una rete? Differenza tra Failure, Error e Fault Fault (avaria): condizione che causa errori nel sistema Errore: caso in cui i risultati ottenuti sono differenti da quelli ritenuti corretti Failure (guasto): condizione che impedisce al sistema di raggiungere gli obiettivi prefissati Fault Error Failure Come fare diagnostica di una rete PROFINET? Problemi tipici di una rete PROFIBUS Cavi rotti, riflessioni terminazioni errate, derivazioni, indirizzi duplicati, configurazione errata Problemi tipici di una rete PROFINET Cavi rotti, connessioni ridondanti non volute, nomi mancanti, indirizzi IP duplicati, network mask errate, problemi di configurazione Differenze Tutti possono parlare con tutti, non è master-slave! In generale, in una rete switched-ethernet i collegamenti sono tutti punto-punto Per controllare il livello fisico bisognerebbe accedere a tutti i cavi Paolo Ferrari 7

8 PROFINET IO: Diagnostica in generale Informazioni diagnostiche strutturate in modo gerarchico Station name, slot, subslot,channel, channel type, error information Diagnostica trasmessa come allarmi da IO-Device all IO-Controller SNMP completa la diagnostica a livello di rete Livello1: Errore nel Device (es. Valve Station 2) SF BF ON subslot Channel Kanal 00 Channel Kanal 11 Kanal Channel 0 0 Kanal 0 Kanal Channel 1 1Kanal 1 Layer 2: Errore nel Modulo (es. Analog Input Module 3) Channel Kanal Kanal Channel 2 2Kanal Diagnostica Channel Kanal xx di Kanal Channel retex x Kanal Channel x x Slot 1 Slot 2 Slot 3 Layer 3: Errore nel Channel (e.g. Cable Break in Channel 2) PROFINET IO: diagnostica di rete Lo switch passa la diagnostica PROFINET dall IO-Device al Controller Lo Switch è configurato come IO-Device (GSD) Switch segnale eventuali malfunzionamenti della rete come diagnostica PROFINET direttamente all IO-Controller (1) E disponibile anche un canale SNMP per le Standard-Information (2) IO-Controller IO-Controller 1 2 IO-Device3 SNMP: Simple Network Management Protocol IO-Device1 IO-Device2 IO-Device1 IO-Device2 Paolo Ferrari 8

9 Troubleshooting di una rete PROFINET Farsi aiutare dagli switch con la pagina web! Paolo Ferrari 9

10 PROFINET IO: topologia. dove è il dispositivo? I dispositivi PROFINET IO supportano il protocollo LLDP che permette di ricostruire la topologia della rete (anche dopo averla cablata!) PROFINET IO: diagnostica/manutenzione di rete on-line Tutti i dispositivi PROFINET IO forniscono delle informazioni base sullo stato della comunicazione Ethernet Sono possibili interrogazioni automatiche di queste informazioni Si possono usare strumenti standard IT, perchè il protocollo è SNMP Il traffico di monitoraggio è TCP/IP e usa una banda trascurabile Disponibili anche soluzioni mirate per PROFINET Maggiori dettagli e altre informazioni specifiche Integrate con l applicazione di automazione Più veloci nel trovare i problemi Due modalità: Monitoraggio continuo Troubleshooting Paolo Ferrari 10

11 PROFINET IO: strumenti per monitoraggio continuo Database simile a quelli usati nell IT. Contiene la storia di ogni dispositivo ottenuta con interrogazioni periodiche delle variabili di interesse Con il protocollo SNMP si raccolgono informazioni in modo ciclico Tempi di aggiornamento del database dipendono da estensione della rete: da decine di minuti a ore. Serve a mettere in evidenza dei trend Software per PC oppure componente stand alone da mettere nella rete PROFINET IO: strumenti per troubleshooting Mirato a scattare istantanee dello stato della rete. Contiene lo stato di ogni dispositivo ottenuta con una interrogazione via SNMP delle variabili di interesse Tempi di scansione ridotti: massimo una decina di minuti Livelist Errori di trasmissione Carico di rete Ricerca dispostivi Allarmi Monitoraggio variabili di processo Reportistica Paolo Ferrari 11

12 Diagnostica e manutenzione del cablaggio Ethernet Ethernet: verifica cablaggi Verifica dell esecuzione dei collegamenti Strumenti handheld (tester) (costo euro) Verifica delle caratteristiche del cablaggio Certificatori di cablaggio (costo euro) Cosa serve per PROFINET? Se si usano componenti passivi (cavi, connettori) certificati PROFINET (come da lista su sito e si rispettano le linee guida di cablaggio PROFINET basta un semplice tester. Se si usano componenti strani (es. slip rings) o cablaggi particolari, allora serve anche il certificatore per garantire che il canale supporti correttamente almeno i 100Mbit/s Paolo Ferrari 12

13 Ethernet: esempi di strumenti Strumenti handheld (tester) Vari produttori: Fluke, Ideal_Industries, Procentec Ethernet: esempi di strumenti Certificatori di cablaggio Vari produttori: Fluke, Ideal_Industries Paolo Ferrari 13

14 Validazione di una rete PROFINET: esperienza maturata Audit e validazione di un impianto PROFINET PROFIBUS International pubblica le linee guida di progettazione e montaggio di reti PROFINET Alcune di queste linee guida sono state inserite negli standard IEC e IEC61918 Se si costruisce un impianto seguendo le linee guida si possono garantire le funzionalità e le performance di specifica La verifica della compliance dell impianto alle linee guida può essere fatta in base ad un accordo privato da il costruttore (OEM) e l utente finale Solitamente un ente terzo (indipendente da OEM e utente finale) viene incaricato di verificare le condizioni dell impianto (validazione) prima del passaggio in servizio. Paolo Ferrari 14

15 Esempio di passi di validazione Per ogni rete potrebbe essere usata questa procedura 1. Visual inspection of cabinets 2. Collect the frame errors (physical) in all the network links connected to PROFINET ports using SNMP 3. Record traffic load of network including special event redundancy switch over 4. Test network cables with error greater than the imposed threshold Esperienza diretta del nostro centro di competenza nelle validazioni PROFINET Conteggio totale al giugno 2014 delle reti PROFINET validate dal centro di competenza Numero di reti 439 Reti indipendenti Numero di controller 767 Numero di anelli di ridondanza 305 Numero di dispositivi Molte reti hanno più di un anello Da 4 dispositivi a oltre 500 per rete Paolo Ferrari 15

16 Situazioni più frequenti Numero assoluto Numero relativo Cablaggi errati Circa 70 < 1% Cavi con cortocircuito di uno dei quattro fili a terra Circa % Disturbi Circa % Problemi configurazione ridondanza PROFINET % Cablaggio estremo Paolo Ferrari 16

17 Controllo dei cavi (e riparazione) 2014 CSMT Gestione Scarl CSMT GESTIONE SCARL - Brescia CSMT GESTIONE SCARL - Brescia Disattenzioni pericolose Paolo Ferrari 17

18 Quello che si intende per superare ogni ostacolo Connettore PROFIBUS infilato a forza in un dispositivo PROFINET Ma dove andranno questi cavi? Nessuna etichetta in tutto l impianto! Paolo Ferrari 18

19 Registrazione del traffico di rete PLC PC monitor TAP Switch Riassumendo Seguire le linee guida di progettazione e montaggio di reti PROFINET significa ottenere sempre risultati positivi I componenti PROFINET forniscono una diagnostica completa anche del livello fisico Le informazioni di diagnostica sono accessibili in ogni momento e da qualunque punto (anche a livello mondiale, se servisse) Nella nostra esperienza è stato dimostrato dai fatti che nelle reti PROFINET validate l incidenza degli errori è bassissima. PROFINET quindi è una eccellente base per gli impianti di Industry 4.0 Paolo Ferrari 19

20 Industry 4.0: overview Contatti Supporto e informazioni su : Ufficio commerciale: Dr. Evelyn Mario, Tel.: profilab@csmt.it profibus@csmt.it profinet@csmt.it profilab@csmt.it Coordinatore tecnico e istruttore accreditato: Dr. Paolo Ferrari (University of Brescia) Tel.: (direct): paolo.ferrari@unibs.it Senior Engineer e istruttore accreditato Dr. Francesco Venturini f.venturini@uni.csmt.it Paolo Ferrari 20