Dai Bus di Campo a PROFINET

Dai Bus di Campo a PROFINET

PROFINET uno standard di PROFIBUS & PROFINET International (PI) Riferimento PI Italia, con sede a Brescia Consorzio Profibus Network Italia (PNI) www.profi-bus.it/ DAI BUS DI CAMPO.. a.. ETHERNET REAL TIME

PROFINET uno standard di PROFIBUS & PROFINET International (PI) PC con OPC Server SNMP DAI BUS DI CAMPO.. a.. ETHERNET REAL TIME Utilizzo di un know how standard e diffuso (Diagnostica a pagine Web, Ethereal, SNMP..)! Informazioni disponibili su tutta la rete ad ogni porta! Apertura verso nuove tecnologie (Wireless LAN..) Mobile Panel 277F IWLAN

DAI BUS DI CAMPO.. a.. ETHERNET REAL TIME L architettura è estremamente flessibile! - Eliminazione delle impedenze di terminazione - Nessun vincolo sull estensione complessiva della rete.... Machine 1 (IO-Subsystem) IO-Controller Link manufacturer cells HMI, STEP7 Switch Machine 2 (IO-Subsystem) IO-Controller Switch Switch HMI, STEP7 IO-Device IO-Device IO-Device Switch IO-Device Switch IO-Device IO-Device IO-Device IO-Device Switch IO-Device Switch Switch IO-Device IO-Device IO-Device Switch IO-Device IO-Device Switch IO-Device Switch

PROFINET uno standard di PROFIBUS & PROFINET International (PI) Accordi strategici nel consorzio PI per la protezione degli investimenti PROFINET Collaborazione dei 2 principali standard RS485, nella definizione dello standard PROFINET! possibilità d integrazione fieldbus tramite Proxy (IE/PB link, IE/AS-i link..) Profibus Interbus

Quali produttori hanno dispositivi con interfaccia Profinet? http://www.profibus.com/products/product-guide/

PROFINET Il percorso innovativo Specification 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 PN V1.0 Whitepaper PN V1.3 PN V2.0 PN V2.1 PN V2.2 PN V2.3 Function enhancements Fast Start Up Shared Device Net diagnosis I-Device Topology Media redundancy Time synchronisation Maintenance NE107 Performanceoptimization DFP and Fast forwarding POF Enhancements Basic function Simple device exchangement Net configuration Switch integration Fiber Optics Summary Standardapplicationen Robotapplicationen Highest Speed-Ap. 03/2006

Performance Real Time Ethernet A 1 B 2 C 3 Best-effort Realtime Best-effort Realtime Best-effort Realtime TCP/UDP TCP/UDP TCP/UDP IP ETH MAC IP Prioritizing ETH MAC IP Scheduling ETH MAC Es: Modbus/IDA Ethernet/IP, FF HSE Es: PROFINET con RT PROFINET è l unica soluzione Ethernet che copre tutte le necessità di una comunicazione Real-Time Ethernet senza restrizioni. Es: PROFINET con IRT Powerlink, EtherCAT, Sercos III

PROFINET Performance Internet Factory Automation Motion Control PROFINET Industrial Ethernet 100ms IT services RT 1-10ms 250µs TCP/IP IRT PROFINET: Real-time scalabile

PROFINET un solo bus Automation topologies with PROFINET PG/PC HMI PLC IWLAN Industrial Ethernet Motion Control Field device Diagnostics Drive Access- Point Web/TCP/IP Field device

PROFINET I/O Real Time (RT) Il Profilo per la Factory Automation. Integrata con Ethernet IT e TCP/IP!

PROFINET I/O Real Time (RT) Implementazione senza HW specifico Servizi Software basati su Ethernet IT applications e.g. HTTP SNMP DHCP... 1 TCP/UDP IP PROFInet application Standard channel Ethernet Real-time channel 2 Real-time RT Canale aperto TCP/IP (su indirizzo IP) Parametrizzazione e configurazione dei dispositivi informazioni di diagnostica Canale Real-time (su Device Name associato al MAC address) Trasmissione dati di ciclo ad alte prestazioni Trasmissioni su evento (allarmi..) -> PROFINET Real Time utilizza TCP/IP solo per la parametrizzazione e la diagnostica dei dispositivi -> Lo scambio dati ciclico avviene con determismo su Ethernet direttamente con MAC Address

Struttura del Telegramma PROFINET Il Telegramma PROFINET si integra nel frame dati Standard Ethernet IEEE 802.3 Il Telegramma PROFINET è definito nello Standard Ethernet come Ether type per comunicazione realtime Possibile utilizzo della priorizzazione dati secondo standard IEEE 802.1p, per migliorare le performance Ethernet Frame Sync 1 Byte Dest MAC 6 Byte Source MAC 6 Byte Priority Tagging* 4 Byte Preambel 7 Byte Ethertype 2 Byte Frame ID 2 Byte Process data up to 1440 Byte Status Information 4 Byte FCS 4 Byte Ethernet-Standard PROFINET specific

Switch con priorizzazione dati IEEE 802.1p Gli switch, oltre a consentire ai nodi collegati di comunicare contemporaneamente senza collisioni, garantiscono il determinismo analizzando la priorità dei pacchetti in transito e dando precendenza a quelli con priorità più elevata. (secondo lo standard: Priorita 6 per Real Time Ethernet, Priorita 0 per TCP/IP) Standard IEEE 802.1p supportato da tutti gli Switch SIEMENS (dalle versioni Basso costo XB agli Scalance X400) Il risultato: Priorizzando i pacchetti si ottengono migliori prestazioni nell update degli I/O PROFINET IO Controller 2 1 Port 1 PROFINET IO Device HMI 1 2 Port 2 Port 3 1 2 Queue for port 1

TCP/IP e real time allo stesso tempo con differenti priorità PROFINET PLC PC Internet Explorer PROFINET HTTP SNMP Socket TCP / UDP Real-Time RT PROFINET Field device IP Ethernet ERTEC IE/PROFINET Cable Sensor System PC SNMP/OPC Server PROFINET PLC

PROFINET nomenclatura PROFINET IO-Controller PROFINET IO-Device Sistema PROFINET PROFINET Controller Switch Industrial Ethernet Il collegamento di nodi in Rete Ethernet avviene SOLO tramite Switch Standalone o integrati nei dispositivi PROFINET Device

Ciclo PROFINET RT

Ciclo PROFINET RT

PROFINET RT Con PROFINET si abbandona il sistema Token Ring! La comunicazione Controller Device, consente tempi di aggiornamento diversi per le stazioni I/O! Dalle proprietà di ogni Device Watchdog time per Bus Fault = Update time (ms) x Numero di cicli consecutivi consentiti senza ricezione di IO (3..15)

PROFINET I/O: Implementazione e Configurazione Periferica decentrata: Cambia l interfaccia sul bus I moduli di I/O possono essere riutilizzati PROFINET PROFIBUS PROFINET Configurazione/programmazione: Rimane identica a Profibus GSD Protezione degli investimenti

Sequenza di assegnamento indirizzi L indirizzamento dei dispositivi è diverso rispetto a Profibus, e si basa sul Nome Dispositivo dei Device Dalle proprietà del PN I/O Device impostare il nome dispositivo e l indirizzo IP

Alternativa 1: Nome dispositivo su MMC 64 kbyte Sulle interfacce PROFINET è disponibile uno slot in cui è possibile innestare un supporto di memoria su cui viene memorizzato il Nome Dispositivo tramite STEP7. Alla sostituzione del componente il supporto di memoria mantiene il Nome Dispositivo. Questo sistema è disponibile su tutte le CPU e le periferie.

Alternativa 2: Autoconfigurazione con Topologia Il meotodo è basato sulla definizione della topologia di rete (editor della topologia in STEP7). L utente deve configurare la topologia off-line e può confrontarla poi con la situazione attuale.

PROFIsafe: sicurezza funzionale (safety) a tutti i livelli La sicurezza funzionale è un requisito irrinunciabile ma è anche un grosso vantaggio Personale Impianti Ambiente

La situazione attuale nel campo della sicurezza funzionale La sicurezza funzionale è ottenuta per mezzo di bus proprietari L integrazione con il sistema principale è lunga e costosa Molte volte I/O non sicuri operano sul campo da proteggere Ad esempio interrompo l alimentazione al motore Bus di Campo I/O Bus proprietario dedicato alla safety Livello con I/O Safety Frequency converter and control Interruttore Motore Alimentazione

La soluzione è PROFIsafe Caratteristiche principali di PROFIsafe Funzioni standard e di sicurezza su un unico cavo: un solo sistema di sviluppo = riduzioni costi Certificato SIL 3, AK6 e CAT 4 nella EN954-1 Basato su IEC 61508 e IEC 61511 PLC con funzione fail-safe Sicurezza per mezzo di software aggiuntivo in ogni componete Componente standard Componente fail-safe I/O Fail-safe I/O Standard Azionam. Dispositivo failsafe

PROFIsafe: Come funziona Applicazione sicura Applicazione Standard, e.g. diagnostica Applicazione Standard, e.g. diagnostica Applicazione sicura Livello PROFIsafe Livello PROFIsafe Livello PROFIsafe Protocol Standard Protocol Standard Black Channel" Messaggio standard PROFIBUS o PROFINET IO S S S S PROFINET IO (via cavo o Wireless) o PROFIBUS-DP F Input/Output Data Status / Control Byte CRC2 across F data and F parameter and Vconsnr_h Max. 12 / 123 Bytes 1 Byte 3/4 Bytes *) *) 3 Bytes per un massimo di 12 Byte F I/O data 4 Byte for a max. of 123 Bytes F I/O data PROFIsafe Container = dati sicuri

PROFIsafe: macchine e robot che collaborano Esempio di applicazione di "Safety Limited Speed" Catena di montaggio in aree pericolose senza arresto della produzione Accesso ad aree di lavoro con Robot La max velocità del carrello trasportatore/robot è monitorata Risparmio in termini di costo e tempo Aree di protezione differenziate

Nuove architetture e funzionalità disponibili con PROFINET IO

PROFINET IO: Shared device Due controller possono gestire lo stesso device Ogni controller gestisce un gruppo di ingressi e uscite Non è necessario che siano fisicamente raggruppati IO-Controller 1 IO-Controller 2

Shared Device con Sinamics S120 IF1 e IF2 sono 2 interfacce logiche della nuova CU 320-2PN, uguali in relazione a Operazioni Isocrone del dispositivo (solo un sync master) Funzionalità Safety Alla stessa CU del Sinamics sono ora assegnabili a 2 Controllori differenti Questo permette svariate topologie e.g. IO Fail-Safe Controller IO-Controller Sinamics S120

PROFINET IO: Intelligent device Dialogo tra controllori Un dispositivo può essere contemporaneamente IO-controller e IO-Device I controllori possono essere gestiti in progetti separati I dati scambiati sono direttamente nella memoria dei controllori Non sono necessari accoppiatori per separare due reti IO-Controller 1 CPU1 IO-Device 1 CPU2 IO-Controller 2 IO-Device 2

Possibilità di scambio dati tra CPU SW con Unica Rete CPU1 PROFINET IO with I-Device CPU2 Scambio I/O Real Time Tra 2 CPU HW aggiuntivo con Reti Separate CPU1 PROFINET IO with PN/PN Coupler CPU2 Scambio I/O Real Time Tra 2 CPU CPU1 TCP/IP Send/Receive S7 Protocol CPU2 Scambio Dati Non Real Time Tra + CPU

PROFISafe routing con SIMOTION PROFIsafe routing per PROFIBUS Disponibile dal FW V4.1.2 via I-Slave ET200 S7 F CPU D4x5 C240 S120 PROFIsafe routing per PROFINET Dal FW V4.2 sarà disponibile anche via I-Device S7 F CPU D4x5 C240 PN ET200 S120 S120 G120

PROFINET IO: Intelligent device + Shared device Combinazione delle precedenti architetture Flessibilità e semplicità IO controller 1 IO controller 2 (local) IO controller 1 IE / PROFINET IE / PROFINET I-Device + Shared Device IO device 1 Sottosistemi separati Translucent I/O

Media redundancy con MRP (IEC 62439) Funzionalità Ridondanza ad anello Tempo di reazione al guasto inferiore 200ms, per un massimo di 50 switch nell anello Il Manager della ridondanza (PLC o Switch Managed) gestisce un contatto logico di rete al suo interno. Attraverso un test frame verifica la continuità dell anello; in caso di guasto il contatto interno viene chiuso. Media redundancy

Possibili configurazioni System Management IE / PROFINET IE / PROFINET CPU + CP CPU + CP CPU + CP Sub-system 1 Sub-system 2 Sub-system 3 Central ring with separated sub-systems Several local rings con Switch Managed

PROFINET IRT Il Profilo per Sincronismo E Motion. Integrati su Ethernet IT e TCP/IP!

Lo stack PN Isochronous Real Time (IRT) IT applications e.g.. HTTP SNMP DHCP... TCP/UDP IP 1 Ethernet PROFINET Applications Configuration Diagnostics Process-data Real-time 2 RT 3 IRT Real-time ERTEC - Switch con chip ASIC 1 2 3 Canale TCP/IP standard Parametrizzazione Dati diagnostici Inizializzazione collegamenti Negoziazione del canale di comunicazione Canale Real-time RT Trasferimento highperformance Dati ciclici Trasferimento su evento Real-time channel IRT Trasferimento highperformance Dati isocroni Jitter <1μsec Utilizzando gli SWITCH con ASIC, l accesso alla rete Ethernet viene sincronizzato e coordinato

PROFINET IRT Comunicazione Ciclo 1 Comunicazione ciclo 2 Comunicazione ciclo 3 IRT channel Open channel IRT channel Open channel IRT channel Open ch IRT communication RT communication Standard communication Sync IRT + IRT flex frames NRT frames IRT data red interval RTC data RTA data green interval NRT data orange interval Tutti i dispositivi Profinet ed i componenti di rete sono sincronizzati Nella fase rossa la comunicazione dei dispositivi tcp/ip viene bloccata Durante la fase verde, qualsiasi pacchetto TCP/IP,UDP ecc. può essere inviato La fase arancione annuncia l imminenza di un ciclo rosso. Solo I frame TCP che possono essere trasferiti completamente vengono inviati prima dell inizio di una nuova fase rossa.

PROFINET un solo bus! SOLO CON HARDWARE SPECIFICO è possibile realizzare un bus Isocrono, ma solo PROFINET mantiente la perfetta integrabilità con Ethernet TCP Finestra dettagli dalle proprietà della rete Prifnet IO, Domain Management nella configurazione HW di Step7 Con PROFINET è possibile usare la comunicazione standard basata su TCP/IP, servizi IT (Web..), con una banda minima riservata del 50%! Tempo ciclo minimo IRT: Tciclo min= 250us Tempo di trasmissione di un frame Ethernet standard: Byte MByte µs Minimum-frame: 88 12,5 7,04 Frame s Frame Maximum-frame: Byte MByte µs 1542 12,5 123,36 Frame s Frame MBit 100 12,5 s MByte s

PROFINET un solo bus! Scalance S S7-400 Controller RT Simotion P controller IRT Dominio Motion IRT: Update Time Minimo= 250 μs Switch dorsale Video Camera Ethernet TCP/IP Switch dorsale Switch IRT dorsale PG TCP/IP Sinamics RT Distributed I/O RT ET200S HS IRT Sinamics IRT Office PC TCP/IP Nodi IRT devono essere collegati direttamente tra loro, o tramite switch IRT Altri nodi NRT (TCP, IT) connessi al dominio IRT comunicano tra loro!

Lo switch IRT - funzionamento Combina I meccanismi Cut-Through e Store and Forward traffico TCP/IP senza limitazioni Integrazione IT senza Tunneling Accesso alla rete senza limitazione alcuna Isochronous Real-Time Cut-Through per IRT ottimizzato TCP/IP-Communication (Store and Forward)

Store and Forward Recezione Check Trasmissione S7 300 t t T d T sid T d = packet delay T sid = switch internal delay T p,max = T d,max + T sid = 122 s + T sid T p,min = T d,min + T sid = 5.76 s + T sid

Cut-Through Recezione e Relay Cut-Through (6 byte) S7 300 Dest. Addr. Src Addr. 52 byte s t t Fragment-Free (64 byte) T d = packet delay T sid = switch internal delay T d T sid Cut-Through T p = T d + T sid = 1.12 s + T sid Fragment- Free T p = T d + T sid = 5.76 s + T sid

Nuove Specifiche PI PROFINET V 2.3 Dicembre 2010

PROFINET V 2.3 Nuove Specifiche PI Dicembre 2010 MRP bumpless Ridondanza di rete per gestire frame PROFINET IRT I dati vengono inviati lungo entrambi i percorsi La stazione di destinazione usa solo il frame che arriva prima Il RM controlla lo stato dell anello inviando il test frame e Notifica lo stato di anello chiuso o aperto Managed switch Sorgente Test frame destinazione Redundancy Manager

PROFINET V 2.3 Nuove Specifiche PI Dicembre 2010 Performance: Ottimizzazione in 4 passi 1. Fast Forwarding 2. Data Frame Packaging DFP 3. Frammentazione 4. DFP e fieldbus integration Con PROFINET IRT e tratti di rete lineari è possibile un Tempo ciclo minimo di 31,25 μs!

Fast Forwarding > Ottimizzazione del tempo necessario per riconoscere e gestire un frame Profinet, all interno del telegramma Ethernet Preamble 8 Octets DA 6 Octets SA 6 Octets VLAN *) 4 Octets Ethertype 2 Octets FrameID 2 Octets Data Trailer 4 Octets Minimum bridge delay = 28 Octets Byte MByte 28 12,5 2,24 Frame s µs Frame Il Frame ID diventa parte del Destination Address Preamble 8 Octets DA 6 Octets FID SA 6 Octets VLAN *) 4 Octets Ethertype 2 Octets FrameID 2 Octets Data Trailer 4 Octets Minimum bridge delay = 14 Octets Byte MByte 14 12,5 1,12 Frame s µs Frame

Dynamic Frame Packaging DFP IOC Conosce la topologia T A1 A2 A3 H T 1 A2 A3 H T 2 A3 H A1 A2 A3 T H Dev. 1 Dev. 2 Dev. 3 Trailer Telegram Header T A1 A2 A3 H A1-A2-A3 Sub-frame

Dynamic Frame Packing DFP IOC Conosce la topologia H 3 E1 E2 E3 T3 H 2 E2 E3 T 2 H 1 E3 T 1 E1 E2 E3 Dev. 1 Dev. 2 Dev. 3 T H Trailer Telegram Header

DFP End to End mode: Fieldbus integration IOC Conosce la topologia Output T H Proxy Imput H T IOD

PROFINET IRT senza DFP Frammentazione non è necessaria per tempi di ciclo di 250 µs Reserved interval Open Interval Reserved 125 µs 125 µs Send clock 250 µs La frammentazione diventa necessaria con cicli < 250 µs Tempo di trasmissione di un frame Ethernet standard: Byte MByte µs Minimum-frame: 88 12,5 7,04 Frame s Frame Maximum-frame: Byte MByte µs 1542 12,5 123,36 Frame s Frame MBit 100 12,5 s MByte s

Frammentazione pacchetti TCP/IP Tempo di ciclo min Esempio 31,25 µs Reserved interval Open Interval Reserved 16,25 µs 15 µs 31,25 µs Intervallo di frammentazione Target: uso ottimale della larghezza di banda disponibile

PROFINET IRT con DFP Tempo ciclo minimo di 31,25 µs Anche con IRT DFP e Tempo ciclo 31,25 µs, è possibile utilizzare dispositivi TCP (p.e. un PG) senza Gateway aggiuntivi!! Scalance S Il tratto IRT + DFP si integra al resto della rete! S7-400 Controller RT Controller IRT + DFP Tratto di rete lineare IRT con DFP: Update Time Minimo= 31,25 μs Office PC Video Camera Ethernet TCP/IP Switch Distributed I/O RT Switch IRT + DFP E1 E2 E3 PG TCP/IP Devices IRT + DFP

PROFINET offers continuous enhancement Specifiche PI V 2.3 Nuove funzionalità per Process industries

Nuove funzionalità per Process Automation Fieldbus integration Configuration in Run (CiR) DCS DeviceNet DCS PROFIBUS DP Remote I/O Proxy PROFIBUS PA PROFINET HART FF H1 Time sync / time stamping System Master Clock (GPS, DCF77, ) Scalable Redundancy Redundant Controller Backup Primary Controller 1 Controller 2 Controller 3 Backup Clock Master Redundant Network Device Device Proxy Device with redundant connectivity Device with singular connectivity

Ridondanza di Sistema Definizione della ridondanza HW per Controller e Device PROFINET

Ridondanza di sistema PLC (Host) IOC PLC (Host) IOC PROFINET IO *) Red. NAP used as R1 or R2 NAP A NAP B IO Single NAP Type S2 NAP IO *) System Redundancy is independent from the network topology (Line topology, Star topology, Ring topology, Tree topology)

Configuration in Run (CiR) Possibilità di modificare la configurazione dei Device PROFINET senza fermare il Processo!

Il Nuovo profilo disponibile con PROFINET IO!

Linea di produzione automobilistica Energy demand senza PROFIenergy Reduced energy demand con PROFIenergy Registering curve (Values in kwh, 15 min) Weekend Weekend Potenziale di risparmio Former energy demand in nonproduction time: app. 60% of the energy demand during production. Up to 80% of energy savings with PROFIenergy. Sino all 80 percento di risparmio energetico!

Punti deboli della soluzione attuale switching Manuale : Tempo lungo di power off Controller HMI Start-up non affidabile HW supplementare per la gestione dell energia hardware supplementare Spazio e costi Engineering e manutenzione DC24V Distributed I/O Motion Control & Drives Soluzioni individuali vengo accettate molto raramente. Il risparmio di energia nelle pause non viene utilizzato.

La soluzione Controller HMI Il controllore invia ad ogni Device: Tempo di inizio di una pausa di lavoro Durata della pausa di lavoro (>Tmin spegnimento del Device) Tempo di fine della pausa di lavoro Il controllore può anche richiedere ai Device che lo supportano di effettuare misure energetiche riguardo al suo funzionamento. Dezentrale Peripherie Motion Control & Drives DC24V Con PROFINET come bus di campo.. È possibile usare Device che supportino il profilo PROFIenergy per lo spegnimento degli I/O

Esempio Controller Conosce il tempo di risposta del device Coordina la sequenza di accensione e spegnimento Condizioni: Il convogliatore deve essere spento 2 minuti dopo il robot, e riacceso 2 minuti prima del robot Start of pause: 12:00 End of pause: 12:45 PROFIenergy Conveyor Switch-off time = 1 min Switch-on time = 1 min Minimum hold time = 2 min Minimum pause time thus = 4 min Robot Switch-off time = 3 min Switch-on time= 5 min Minimum hold time = 2 min Minimum pause time thus = 10 min

Esempio di applicazione coordinazione e comando ON start_pause 2min Conveyor 2min slowing down end_pause running up OFF ON start_pause +5 +6 Robot +42 +43 end_pause OFF 12:00 +3 +40 12:45 Time_to_pause Time_min_length_of_stay Time_to_operate Time_min_Pause Questi dati sono memorizzati (dal costruttore) in uno specifico registro del Device

Grazie per la cortese attenzione

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