Architetture di rete e performance con PROFINET

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1 PROFINET: Architetture di rete e performance Architetture di rete e performance con PROFINET 1 Paolo Ferrari Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Università di Brescia Via Branze Brescia (Italy) CSMT Gestione Scarl Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET - Brescia [email protected] Tel: fax: [email protected] La comunicazione in PROFINET 2 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 [email protected] 1

2 Quale architettura di rete per PROFINET? Si parte dalla struttura fisica richiesta dall applicazione Vincoli meccanici Vincoli normativi Interfacce uomo macchina Postazioni di lavoro Ergonomia Si aggiungono i vincoli di sistema Connessioni verticali Flusso dei dati 3 Definizione delle isole di automazione Si individuano delle isole di automazione che contengono componenti funzionalmente correlati Flusso dati interno (non attraversa i confini) Flusso dati esterno (attraversa i confini) 4 [email protected] 2

3 PROFINET: Architetture di rete e performance La mappa delle caratteristiche dei dispositivi PROFINET Le caratteristiche di un dispositivo PROFINET dipendono dalla «Conformance Class» (CC) 5 Definizione del tipo di dispositivo PROFINET Assegnazione delle varie Conformance Class ai dispositivi che appartengono alla rete I dispositivi CC-C formano un gruppo separato Suggerimento Dispositivi CC-B sono consigliati nei progetti nuovi Dispositivi CC-A meglio tenerli alla periferia della rete 6 [email protected] 3

4 Definizione della topologia di rete PROFINET PROFINET garantisce flessibilità di progettazione del layout di rete Tutte le topologie standard sono possibili con PROFINET Un numero di combinazioni quasi illimitato opzioni La topologia di rete risulta principalmente da criteri quali : posizione dei componenti le distanze da coprire requisiti EMC requisiti di isolamento elettrico requisiti per una maggiore disponibilità considerazione dei carichi di rete. 7 PROFINET: Topologie base Topologia a stella Serve uno switch Ogni dispositivo ha il suo cavo 8 Topologia ad albero Esistono dei livelli gerarchici Efficiente quanto si connettono tra loro gruppi di dispostivi che parlano principalmente a livello locale [email protected] 4

5 PROFINET: Topologie base Topologia lineare richiama visivamente PROFIBUS si usano gli switch integrati non servono switch aggiuntivi IMPORTANTE Se un dispositivo della catena si spegne, tutti seguenti sono scollegati dalla rete! 9 PROFINET: Topologie base Topologia ad anello Aumenta la disponibilità Un dispositivo dell anello gestisce la ridondanza (Redundancy manager) Se si verifica 1 guasto la connessione è ancora possibile Se si verificano 2 guasti un segmento di rete resta isolato 10 [email protected] 5

6 PROFINET: Topologie base Topologia a doppia rete Aumenta la disponibilità Sono richieste due interfacce di comunicazione indipendenti per ogni dispositivo Raddoppia tutta l infrastruttura (cavi e switch) 11 Nota: è possibile raddoppiare anche topologie lineari o ad anello Struttura di rete di riferimento per PROFINET Tra tutte le possibili combinazioni si raccomanda di partire da una struttura simile a questa che è declinata secondo le esigenze Si suggerisce di usare switch managed CC-B per la backbone 12 [email protected] 6

7 Esempio topologia specifico per automazione di fabbrica Controllori e switch vicino al campo Fibre ottiche tra parti remote 13 Esempio topologia specifico per bordo macchina Catene corte di dispositivi permettono un cablaggio ridotto a bordo macchina 14 [email protected] 7

8 Esempio topologia specifico per impianto di processo Struttura modulare e gerarchica 15 Creazione della topologia di rete PROFINET Applicazione delle regole precedenti i componenti sono collegati all interno dell isola di automazione backbone di switch struttura gerarchica tra le isole 16 Si usano firewall per andare verso i sistemi di supervisione di fabbrica [email protected] 8

9 Carico di rete (network load) Il rapporto tra la quantità di traffico su un link e la massima capacità del canale costituisce quello che viene chiamato il carico di rete Il carico di rete dipende da quale è l intervallo in cui viene misurato 17 La rete Ethernet è bidirezionale quindi esistono due carichi di rete, uno per ciascuna direzione nel link In una rete ogni link può avere un carico diverso. Ragionando worst case serve trovare il link con il massimo carico Paolo Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center Carico di rete nelle reti PROFINET Ogni dispositivo genera un traffico che dipende dal tempo di ciclo Ogni dispositivo può avere un tempo di ciclo diverso E importante scegliere il tempo di ciclo più alto tra quelli che soddisfano le richieste dell applicazione (in modo da tenere basso il carico di rete) Durante il progetto non eccedere mai il 50% di carico di rete 18 Esempio con 60 byte di dati di processo [email protected] 9

10 Esempio di distribuzione del carico di rete Singolo controller: tutto il traffico PROFINET è diretto al controller 19 Esempio di distribuzione del carico di rete Multi controller: alcuni link sono interessati da più flussi 20 10

11 Contributo del traffico non real time al carico di rete Dispositivi non PROFINET presenti sulla rete possono generare un consistente carico di rete carico non controllato!!! Esempio di sistema mal progettato: il traffico non real time sovraccarica molti dispositivi 21 Contributo del traffico non real time al carico di rete Esempio di sistema progettato meglio: il traffico non real time ha un percorso nella rete il più possibile diverso da quello di PROFINET 22 11

12 Accorgimenti generali per minimizzare il carico di rete Tenere le catene di dispositivi più corte possibili! Utilizzare in modo preferenziale strutture a stella e albero 23 Accorgimenti generali per minimizzare il carico di rete Massima profondità di linea: da verificare sempre, specialmente in strutture articolate Mai fare linee con più di 45 dispositivi Nota: l anello fisico per la ridondanza in realtà è una connessione logica in linea! (l anello è aperto ad una porta del redundancy manager! 24 [email protected] 12

13 25 PROFINET ad alte prestazioni Isocronia e motion control PROFINET: Architetture di rete e performance 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 26 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 [email protected] 13

14 Real-time 1 PROFINET: Architetture di rete e performance 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... 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 27 Ethernet Real-time switch ASIC 2 RT 3 IRT Real-time 3 Real-time channel IRT Trasferimento hi-performance Dati isocroni Jitter <1μsec PROFINET IO: Real-Time Ethernet in modo isocrono 28 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) IRT channel Open channel (TCP/IP) IRT channel Open 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 [email protected] 14

15 PROFINET: Architetture di rete e performance 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 29 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)... PROFINET IO: Integrazione con l infrastruttura esistente 31 IRT IRT Sync master IRT IRT IRT IRT IRT network WWW [email protected] 15

16 PROFINET: Architetture di rete e performance PROFINET IO IRT: Tabella di instradamento 32 Per ogni switch di rete viene costruita una tabella con l elenco di tutti i messaggi da spedire/ricevere in un ciclo e il relativo tempo di scheduling Si tiene conto del ritardo di propagazione su cavo (lunghezza dei cavi) NB: nei normali switch esiste una tabella simile ma è basata sugli indirizzi Rec. Port Time Table 1 Arriv Fra Depa e me rture Dest. Port 1 t1 1 t1+ t 4 1 t2 2 t2+ t 4 1 t3 3 t3+ t *) *) 100% disponibile per TCP/IP Frame 1 Port1 Controller 1 Port2 Port1 Port4 Frame 3 Port1 Frame 1 Frame 2 Frame 1 Port2 Port1 Port1 Frame 2 Frame 3 Device x Device y Device z PROFINET IO: Dynamic Frame Packing 33 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 [email protected] 16

17 PROFINET IO: Dynamic Frame Packing Ogni datagramma è protetto da un checksum a 16bit update event 34 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 PROFINET: Architetture di rete e performance 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 35 IO-C Controller [email protected] 17

18 PROFINET: Architetture di rete e performance 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] 37 IO-C Controller PROFINET: Architetture di rete e performance 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] 38 IO-C Controller 2015 Università di Brescia e CSMT Gestione Scarl [email protected] 18