PROFINET non teme confronti

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1 PROFINET non teme confronti Paolo Ferrari Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Università di Brescia, Via Branze Brescia (Italy) Tel: fax: CSMT Gestione Scarl Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET - Brescia PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 1

2 Sommario Parliamo di PROFINET, cioè di Protocollo (Scalabilità, Coesistenza) Architetture di rete e nuove possibilità Avvio rapido Ridondanza Sicurezza funzionale Wireless Risparmio ed efficienza energetica Protocollo isocrono con prestazioni che non temono confronti PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 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 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 & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 3

4 PROFINET IO: terminologia PROFINET IO-Controller: Scambia dati con gli evice ad esso assegnati Dispositivo che contiene il programma applicativo PROFINET evice: 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 evice DP Master system DP Master DP Slave Confronto nomi PROFIBUS con nomi PROFINET PROFINET IO System PROFINET IO-Controller PROFINET evice DP Master classe 2 PROFINET IO-Supervisor PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 4

5 PROFINET IO: scambio dati tra controller e device Tra l IO-Controller and evice 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 evice PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 5

6 PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali RTE Cl.2 Cl.3 RTE Cl.1 Non RTE 15% 100% msec IRT= isochronous real time 10 msec 100 msec RT= real time Cl. 1 t TCP, DCOM, IP, HTTP PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 6

7 PROFINET IO in una parola: scalabile L applicazione guida la scelta delle 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 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 7

8 Prestazioni necessità di un contesto PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 8

9 Real-Time Ethernet stack di comunicazione Questo è uno schema generale che rappresenta lo stack di comunicazione di una soluzione Real-time Ethernet. In questo contesto, quando si parla di prestazioni di un sistema ci si riferisce alla velocità di trasferimento dati dal punto A al punto B Receive data Send Data Receive data Send Data Real-time Application Service interface A B Real-time Application Service interface Real-time MAC Real-time MAC Ethernet PHY Ethernet PHY PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 9

10 e il resto del sistema? La comunicazione è solo una parte (piccola) La comunicazione è gestita dal sistema operativo Real-time del dispositivo Receive application data Send application Data Receive application data Send application Data Sistema Operativo Altri servizi Sistema Operativo Altri servizi Sistema Operativo Kernel Real-time Sistema Operativo Kernel Real-time Receive data Send Data Receive data Send Data Real-time Application Service interface Real-time MAC Ethernet PHY Real-time Application Service interface Real-time MAC Ethernet PHY PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 10

11 Manca ancora l applicazione! Uno o più programmi applicativi gestiscono i dati provenienti/diretti agli altri dispositivi in campo L insieme di tutte le parti è il sistema di automazione Task Task 1 1 Task Task n Task 1 Task n n Programma Programma Applicativo Programma Applicativo Applicativo Receive Send application data application Data Sistema Operativo Altri servizi Sistema Operativo Kernel Real-time Task Task 1 1 Task Task n Task 1 Task n n Programma Applicativo Programma Applicativo Programma Applicativo Receive application data Send application Data Sistema Operativo Altri servizi Sistema Operativo Kernel Real-time Receive data Send Data Receive data Send Data Real-time Application Service interface Real-time MAC Ethernet PHY Real-time Application Service interface Real-time MAC Ethernet PHY PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 11

12 Considerazioni sui tempi di attraversamento Il tempo di attraversamento dello stack fino a raggiungere il programma applicativo, cresce con la complessità del dispositivo Il sistema operativo del dispositivo deve gestire anche altre applicazioni, non solo la comunicazione Usare un processore dedicato per la comunicazione non risolve il problema Task Task 1 Task n Task 1 1 Task Task n n Programma Programma Applicativo Programma Applicativo Applicativo Receive Send application data application Data Sistema Operativo Altri servizi e neppure usare un livello fisico più veloce Receive Sistema Operativo Kernel Real-time Receive data Send Data Real-time Application Service interface Real-time MAC Ethernet PHY PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 12

13 Falsi miti: Ethernet Gigabit (futuro o presente?) Offre più banda: implica processori più veloci per gestire più pacchetti al secondo... altrimenti significa solo stessi dati trasmessi in meno tempo Svantaggi Livello fisico più complesso di 100Base-TX. Consumi più elevati Servono 8 fili invece degli 4 del 100Base-TX Prestazioni di sincronizzazione uguali a quelle del 100BaseTx Ottimo per le dorsali nel caso di topologia a cascata di stelle/alberi PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 13

14 Falsi miti: cicli di scansione ridotti Gestione del pacchetto che arriva: ad ogni ciclo corrisponde un interrupt Bisogna processare i dati in arrivo e preparare i dati per il prossimo ciclo Tempi di guardia: il tempo di elaborazione è sensibilmente minore rispetto a quello del ciclo di comunicazione Latenza servizio callback interrupt Tempo preparazione risposta Elaborazione dati Pacchetto in arrivo Durata tempo di ciclo PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 14

15 Situazione attuale stato dell arte Solo poche applicazioni reali attualmente richiedono tempi di ciclo di elaborazione < 125us Il più veloce sistema commerciale industry grade ha un tempo di servizio delle callback di circa 30us Se l algoritmo di controllo richiede più di 30us allora è possibile implementare sistemi che non perdono neppure un dato operanti a 62.5us L unica applicazione reale disponibile su hardware industry grade è quella dello ZHAW (Institute of Embedded Systems) di Zurigo che raggiunge i 62.5 us Nota: La maggior parte di applicazioni lavora bene anche in sistemi non sincronizzati con tempi di ciclo nell ordine di 1 ms. La nostra esperienza durante le validazioni ha messo in risalto una variabilità massima di 0.5 ms in sistemi con oltre 300 nodi PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 15

16 Barra delle prestazioni 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% 0.1% Prestazioni sistema PROFINET IO RT PROFINET IO IRT senza DFP e senza frammentazione Limite appli- cazioni reali attuali Unico controllore reale industry grade PROFINET IO IRT con DFP e frammentazione PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 16

17 PROFINET IO offre prestazioni sempre al vertice PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 17

18 PROFINET IO: Real-Time Ethernet Separazione nel tempo del traffico a priorità maggiore nel tempo I dati critici usano un canale separato nel tempo. E ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP. 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 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 18

19 PROFINET IO: Real-Time Ethernet Separazione nel tempo del traffico a priorità maggiore nel tempo I dati critici usano un canale separato nel tempo. E ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP. IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP Cycle 1 Cycle 2 = time window Cycle n Isochronous communication IRT data RT communication RT data Standard communication TCP/IP data PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 19

20 PROFINET IO: funzionalità di switching avanzate IRT IRT RT IRT RT IRT IRT Switch RT Switch IRT Phase RT Phase Switch RT IRT IRT IRT IRT IRT Switch RT Switch RT IRT Phase RT Phase Sincronizzazione (IEEE1588 like) Switch Caratteristiche: La sincronizzazione è necessaria affinché tutti sulla rete conoscano il momento di inizio del ciclo PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 20

21 PROFINET IO: Integrazione con l infrastruttura esistente Switch Switch Sync master Switch IRT Switch IRT Switch Switch Switch Switch IRT Switch IRT Switch Switch Switch Switch IRT Switch IRT Switch IRT network Switch Switch Switch Switch PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 21

22 PROFINET IO: Ottimizzazione in 4 passi Fast Forwarding: ottimizzazione del tempo di inoltro dei pacchetti da parte degli switch Dynamic Frame Packing: singolo frame per più dispositivi Fragmentation: gestione efficiente della frammentazione per ottenere tempi di ciclo ridotti PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 22

23 PROFINET IO: Dettagli dell ottimizzazione Fast Forwarding Riduzione della durata del preambolo Riduzione dei tempi di trasmissione hardware (PortRXDelay e PortTXDelay) Frame ID diventa parte del Destination Address Preamble DA SA VLAN*) Ethertype FrameID Data Trailer 8 Octets Octets 6 Octets 4 Octets 2 Octets 2 Octets 4 Octets Bridge delay minimo = 28 Ottetti Preamble DA SA VLAN*) Ethertype FrameID Data Trailer 2 Octets 6 Octets FID 6 Octets 4 Octets 2 Octets 2 Octets 4 Octets Fast Forwarding ottimizzato = 8 Ottetti PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 23

24 PROFINET IO: Dynamic Frame Packing Condizioni Comunicazione sincronizzata (Conformance Class C) Frame dati di tipo RT_Class_3 Supporto del Fast Forwarding Conoscenza della topologia Principio di funzionamento Definizione del DFP-domain (grupo di evice) Trasmissione di tutte le uscite in un unico frame Trasmissione di tutti gli ingressi in un unico frame Operazioni nello switch Frame DFP ricevuti nell intervallo riservato? Frame ID corretto? PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 24

25 PROFINET IO: Dynamic Frame Packing dati di uscita I datagrammi di uscita per tutti i device sono compattati in un unico frame IOC conosce la topologia T A1 A2 A3 H T A2 A3 H T A3 H A1 A2 A3 H T Telegram header Trailer Dev 1 Dev 2 Dev 3 T A1 A2 A3 H = struttura dei sub frame PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 25

26 PROFINET IO: Dynamic Frame Packing dati di ingresso La trasmissione inizia simultaneamente I datagrammi di ingresso di tutti i device sono aggregati in un unico frame durante il percorso Lo scheduling è caricato nei device durante lo startup IOC conosce la topologia H E1 E2 E3 T E1 H E2 E3 T E2 H E3 T E3 H T Telegram header Trailer Dev 1 Dev 2 Dev 3 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 26

27 PROFINET IO: Fragmentation Frammentazione è necessaria solo per tempi di ciclo inferiori a 250 µs In quel caso, i telegrammi non PROFINET da trasmettere nella fase Open potrebbero dover essere spezzati in pacchetti più piccoli e riassemblati a destinazione Tempo di ciclo (SendClock) Open interval Lunghezza Frame 125 µs > 51 µs ,75 µs > 41 µs ,5 µs > 35 µs ,5 µs > 31 µs ,25 µs > 20 µs ,25 µs > 15 µs 128 Lunghezza raccomandata frammenti 256 Il più piccolo ciclo dura 31,25µs 128 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 27

28 Alcuni casi di test PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 28

29 Casi di test per PROFINET IO IRT IO-C Controller Test case 1 mini sistema centralizzato Test case 2 sistema medio decentralizzato IO-C Controller Test case 3 sistema motion medio IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 29

30 Test case 1 mini sistema centralizzato Piccola macchina che comprende 1 IO-Controller e 1 evice evice ha: 64 (32 in+32 out) canali analogici raggruppati in 16 moduli 136 (64 in +72 out) canali digitali raggruppati in 17 moduli IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 30

31 Test case 1 mini sistema centralizzato Piccola macchina che comprende 1 IO-Controller e 1 evice I frame PROFINET occupano quindi frame input (da a IO-C): us frame output (da IO-C a ): us Tempo riservato per PROFINET IRT : us Tempo di ciclo minimo: 62.5 us [50% per TCP] IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 31

32 Test case 2 sistema medio decentralizzato Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 evice (totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici) Ogni evice ha: 40 (20 in+20 out) canali analogici raggruppati in 10 moduli 160 (88 in + 72 out) canali digitali raggruppati in 23 moduli IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 32

33 Test case 2 sistema medio decentralizzato Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 evice (totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici) I frame PROFINET di ogni device occupano quindi frame input (da a IO-C): us frame output (da IO-C a ): us Tempo riservato per PROFINET IRT : 96 us Tempo di ciclo minimo: 250 us [60% per TCP] (Nota: Tempo di ciclo minimo con architettura a stella = 125 us) IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 33

34 Test case 2 sistema medio decentralizzato (con DFP) Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 evice (totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici) 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 : 81 us Tempo di ciclo minimo: 250 us [70% per TCP] IO-C Controller (Nota: Tempo di ciclo minimo con architettura a stella = 125 us) PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 34

35 Test case 3 sistema motion medio Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 evice di cui 24 drive e 1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 112 IO digitali e 32 IO analogici) Ogni evice Profidrive ha: 10 byte input e 10 byte output Ogni evice ha: 32 (16 in+16 out) canali analogici raggruppati in 8 moduli 112 (56 in + 56 out) canali digitali raggruppati in 14 moduli IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 35

36 Test case 3 sistema motion medio 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 io digitali e 30 io analogici) 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 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 36

37 Test case 3 sistema motion medio 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 io digitali e 30 io analogici) I frame PROFINET occupano quindi frame input (da a IO-C): us frame output (da IO-C a ): us IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 37

38 Test case 3 sistema motion medio 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 io digitali e 30 io 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 PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 38

39 Riassunto risultati PROFINET IO IRT Test case 1 mini sistema centralizzato Tempo di ciclo : 62.5 us [50% per TCP] IO-C Controller Test case 2 sistema medio decentralizzato Tempo di ciclo senza DFP: 250 us [60% per TCP] Tempo di ciclo con DFP: 250 us [70% per TCP] IO-C Controller Test case 3 sistema motion medio Tempo di ciclo senza DFP: 250 us [60% per TCP] Tempo di ciclo con DFP: 62.5 us [50% per TCP] IO-C Controller PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 39

40 Conclusioni PROFINET è una tecnologia aperta Prestazioni ai massimi livelli Scalabilità di prodotti e soluzioni Coesistenza piena con qualunque applicazione TCP/IP Ridondanza per aumentare la disponibilità Wireless per le soluzioni flessibili e innovative PROFIenergy per il risparmio ed l efficienza energetica PROFIsafe per la sicurezza Leader del mercato PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 40

41 Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET: Contatti supporto: [email protected] Segreteria CSMT con riferimento a: Sig.na Roberta Codenotti Tel.: [email protected] I contatti tecnici vengono tenuti da: Prof. Paolo Ferrari Tel.: [email protected] Dr. Ing. Francesco Venturini, PhD Tel.: [email protected] PROFIBUS & PROFINET Competence Center 2012 Università Brescia - CSMT Gestione Scarl Paolo Ferrari 41