Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Komunikačný systém Profinet IO

číslo 7/2006

Komunikačný systém Profinet IO

Peter Drahoš, Juraj Gabriel

Profinet je relatívne nový otvorený priemyselný komunikačný systém. Prvé pokusy s Profinetom sa spájajú s rokom 2002. Dnes sa pre Profinet vyrábajú zákaznícke integrované obvody (ASIC) Ertec 200 a Ertec 400, ktoré umožňujú konštrukciu nových pripojitelných zariadení a ďalšie rozširovanie Profinetu. Článok má ambíciu priniesť užitočné informácie a skúsenosti z praxe s komunikačnou sieťou Profinet.

1. Úvod

Profinet sa opiera o skúsenosti a štruktúru protokolu Profibus a zároveň obsahuje kvalitatívne nový koncept komunikácie na báze priemyselného Ethernetu. Špecifikácia a inžinierska podpora sú dostupné prostredníctvom medzinárodnej užívateľskej organizácie Profibus International. Profibus International má 24 národných, resp. regionálnych združení (RPA, Regional Profibus Association – angl., PNO, Profibus Nutzerorganisation – nem.). Profibus International disponuje širokým profesionálnym zázemím, ktoré tvoria technické komisie a pracovné skupiny. Na kvalitu komunikácie dohliadajú akreditované centrá Profibus/Profinet (32 PCC – Profibus/Profinet Competence Centre) a certifikačné laboratóriá s medzinárodnou pôsobnosťou [1], [3].

Skupiny profilov podľa IEC 61784

Typ komunikačného protokolu podľa IEC 61158

CPF 1

typ 1 Foundation Fieldbus (FF)

typ 5 FF High Speed Ethernet

typ 9 FF FMS

CPF 2

typ 2 ControlNet

CPF 3

typ 3 Profibus

typ 10 Profinet

CPF 4

typ 4 P-Net

CPF 5

typ 7 World FIP

CPF 6

typ 8 Interbus

CPF 7

typ 6 SwiftNet

Tab. 1. Typy protokolov podľa IEC 61158 a rodiny komunikačných profilov podľa IEC 61784

Profinet je chránený medzinárodnými normami IEC 61158 (Digital data communications for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems) a IEC 61784-1 (Digital data communications for measurement and control – Part 1: Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial control systems) V príprave je norma IEC 61784-2 (Digital data communications for measurement and control – Part 2: Additional profiles for ISO/IEC 8802-3 based communication networks in real-time applications). Prehľad o typoch priemyselných protokolov podľa medzinárodnej normy IEC 61158 a rodinách komunikačných profilov CPF – Comunication Profile Family poskytuje tab. 1.

Koncom marca 2005 dostal Profinet IO (Input Output) oficiálnu špecifikáciu IEC a má status „prestandard„ IEC/PAS (Publicly Available Specification). Očakáva sa, že sa stane štandardom v novej edícii noriem IEC 61158 Ed. 4 a IEC 61784 Ed. 1 v roku 2007. Profinet má oporu v norme pre protokol IEC 61158, typ 10, a v norme pre aplikačné profily IEC 61784/CPF 3. Je realizovaný na priemyselnom Ethernete a má definované služby pre komunikáciu v reálnom čase (RT).

Komunikačná rýchlosť: 100 Mb/s

Typický cyklus: RT do 5 až 10 ms, IRT do 1 ms

Viac ako jeden tisíc možných účastníckych staníc na sieti

Maximálna dĺžka siete 5 km (elektrická sieť) nebo 150 km (optická sieť)

Podpora sietí WAN protokolom TCP/IP a podpora bezdrôtových sietí

Možné topológie v prevedení zbernica, strom, hviezda a kruh

Viacero druhov diagnostiky siete a zariadení

Tab. 2. Prehľad vlastností Profinet IO

Priemyselné aplikácie vybudované na zbernici Profibus-DP je možné prepojiť a jednoducho integrovať do Profinetu pomocou tzv. proxy zariadení. Ochránia sa tým pôvodné investície a pritom je možné používať jednotné inžinierske nástroje pre konfiguráciu a parametrizáciu komunikácie zariadení, nezávisle na výrobcoch. Medzinárodná organizácia Profibus International sa v roku 2005 rozhodla, že bude na jednotnej platforme integrovať do systému Profinet IO rôzne prevádzkové zbernice (fieldbuses), ako sú DeviceNet, CC-Link, CANopen, Modbus, Foundation Fieldbus atd. Zbernica Interbus je už dnes integrovaná do Profinetu IO podobne ako Profibus – podrobnosti pozri [1], [5].

Profinet a Profibus sú univerzálne komunikačné nástroje vhodné takmer pre všetky oblasti priemyselnej automatizácie. Profibus má dvadsať aplikačných profilov, ktoré sa postupne rozširujú a implementujú do Profinetu. Príkladom toho sú prichádzajúce správy, že profil Profisafe (september 2005) a aplikačný profil Profidrive (november 2005) sú dostupné pre Profinet.

Obr. 1.

Obr. 1. Schéma všeobecnej informačnej štruktúry výrobného podniku
Obr. 2. Profinet v referenčnom modeli ISO/OSI

Profinet má vlastnosti zodpovedajúce súčasným potrebám automatizácie a tendenciám v priemyselnej komunikácii. Z nových vlastností Profinetu treba uviesť sieťové funkcie, ktoré umožňujú hierarchicky integrovať celý podnik od prevádzkových prístrojov po vrcholový manažment, popr. využívať verejnú sieť pomocou webových aplikácií [4] pre inžiniering (obr. 1).

2. Základná klasifikácia siete Profinet

Profibus aj Profinet rešpektujú referenčný model ISO/OSI, ale využívajú len niektoré jeho vrstvy: Profibus používa vrstvy OSI č. 1, 2 a 7, Profinet č. 1, 2, 3, 4 a 7 (Ethernet, TCP/IP, UDP/IP, DCOM) [3], [4].

Profinet je založený na priemyselnom Ethernete ISO/IEC 8802.3 (Full Duplex), IEEE 802.1Q (Priority Tagging) a vždy ide o spínaný Ethernet s rýchlosťou 100 Mb/s. Profinet má dve základné orientácie: Profinet IO (Input, Output), ktorý je určený na komunikáciu s decentralizovanými perifériami podobne ako Profibus-DP, a Profinet CBA (Component Based Automation), predstavujúci nový koncept komunikácie pre distribuované riadenie, ktorého komponentmi sú autonómne riadiace systémy s vlastnou inteligenciou, tvoriace celok – napr. časti výrobnej linky. Profinet CBA je teda niečo nové, čo tu ešte nebolo, a plní diametrálne odlišné funkcie ako Profinet IO. Rozdelenie je na obr. 3. Všetky tieto protokoly, teda Profinet IO, Profinet CBA aj štandardné internetovské protokoly, napr. TCP/IP, môžu na Ethernete komunikovať súčasne.

Obr. 2.

3. Vlastnosti a konfigurácia Profinet IO

Profinet IO je určený pre automatizáciu výrobných procesov prevažne diskrétneho typu. Pre zabezpečenie deterministického prístupu zariadení ku komunikácii v danom segmente siete používa Profinet IO základný cyklus – periódu update-time, ktorý sa určí pri konfigurácii a riadi ho Profinet IO-Controller (master).

Typy účastníckych staníc sú:

  • Profinet IO-Controller – riadi komunikáciu v celej sieti Profinet IO. Zabezpečuje výmenu signálov medzi ostatnými účastníkmi v sieti. Zväčša je to zariadenie obsahujúce riadiaci program.

  • Profinet IO-Device – účastnícka, podriadená stanica siete komunikujúca so zariadením Profinet IO-Controller. Typické zariadenia sú vzdialené vstupy a výstupy, tzv. remote IO, inteligentné meracie členy, inteligentné akčné členy apod.

  • Profinet IO-Supervisor – je zariadenie s rozhraním HMI alebo diagnostické zariadenie v sieti.

Obr. 3.

Obr. 3. Klasifikácia zbernice Profinet

Konfigurácia a parametrizácia siete Profinet IO je obdobná ako u Profibus-DP. V popisovanom prípade je použité softwarové prostredie Siemens Simatic Step 7 Manager v. 5.3 SP1. Konfigurácia zariadení prebieha spôsobom plug and play, obdobne ako u zbernice Profibus pomocou súborov GSD, v ktorých sú konfiguračné charakteristiky a komunikačné parametre zariadení. Formát súboru GSD je v jazyku XML (Extensible Markup Language).

Pre vytvorenie komunikačných vzťahov je potrebná identifikácia zariadení v sieti pomocou jedinečného názvu – symbolického mena, ktoré je uložené v pamäti každého zariadenia. Tento názov je potrebné zariadeniu zadať pri prvom pripojení. Profinet IO-Controller na základe tohto názvu prideľuje zariadeniam Profinet IO-Devices jedinečné IP adresy.

Obr. 4.

Obr. 4. Konfigurácia Profinet IO v nástroji Simatic Step7 Manager
Obr. 5. Pripojenie zbernice Profibus-DP na Profinet IO pomocou proxy zariadenia

Perióda update-time je doba potrebná na výmenu všetkých informácií medzi všetkými zariadeniami Profinet počas jedného cyklu zariadenia Profinet IO-Controller (obr. 7). Doba cyklu je vypočítaná automaticky v hardvérovej konfigurácii Simatic Step7 Manager podľa počtu zariadení Profinet IO-Devices s rezervou pre telegramy NRT. Je možno ju parametricky predĺžiť v rozsahu 0 až 100 % z vypočítanej doby. Tým sa rozšíri časová rezerva pre komunikáciu NRT podľa potreby užívateľa.

4. Pripojenie Profibus-DP na Profinet IO

Pripojenie Profibus-DP na Profinet IO je vyriešené pomocou tzv. proxy servera, ktorý je zo strany siete Profinet ako Profinet IO-Device a zo strany zbernice Profibus-DP ako Profibus Master. V praxi funkciu proxy servera môže plniť program v PLC alebo sa použije samostatný komunikačný prevodník Industrial Ethernet/Profibus (obr. 5), komerčne niekedy označovaný ako gateway alebo ako linker apod.

Profinet IO a Profibus-DP sa v niektorých oblastiach navzájom doplňujú, ale v automatizácii procesov tiež plnia rovnaké funkcie. Vývoj ukáže opodstatnenosť ich koexistencie. Z hľadiska praxe je dôležité, že existujú jednotné inžinierske nástroje pre ich konfiguráciu a parametrizáciu. Niektoré z nich sú popísané ďalej.

Obr. 5.

5. Reálny čas a Profinet IO

V priemyselných aplikáciách sú stanovené požiadavky na činnosť v reálnom čase. Profinet poskytuje dve verzie reálneho času: RT a IRT. Obidve verzie sa od štandardných IP telegramov (0x0800) odlišujú dvojbajtovým kódom 0x8892 označeným Type, s významom Profinet Real Time Frame.

Pri automatizácii procesov s dobou cyklu do 5 až 10 ms (update-time) a pre vopred známy počet RT účastníkov sa používa RT Profinet IO. RT Profinet IO je vlastne asynchrónna cyklická a acyklická výmena dát s určenou prioritou telegramov, ktorú riadi Profinet IO-Controller. Cyklický prenos procesných veličín prebieha pravidelne a bez potvrdzovania. Acyklický prenos alarmov si vyžaduje potvrdzovanie.

Štandardný IP telegram podľa IEEE 802.3 (obr. 6) je doplnený v dátovej časti o špecifikovanie typu pre Profinet IO komunikáciu. RT telegram Profinet IO teda má vlastné kódové označenie, ktoré býva rozšírené o časť kódu, tzv. VLAN-tag podľa IEEE 802.1Q. VLAN-tag (štyri bajty) určuje prioritu telegramov a v štandardných telegramoch je nepovinný. Komunikáciu typu RT musia podporovať všetky účastnícke stanice Profinet IO a relevantný switch. RT komunikácia je bez obmedzení kompatibilná s TCP/IP.

Obr. 6.

6. Izochrónny reálny čas pre Profinet IO

Pre pohybové systémy je k dispozícii izochrónny reálny čas – IRT s odozvou do 1 ms a časovou neistotou 1 µs (jitter), ktorý používa časovú synchronizáciu všetkých zariadení v sieti a model komunikácie provider-consumer (publisher-subscriber). IRT využíva časovú segmentáciu komunikácie.

Režim IRT podporuje zákaznícky integrovaný obvod Ertec 400 (2005).

Pri klasickom Ethernete je prístup k médiu prideľovaný algoritmom CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection), teda náhodným prístupom s detekciou kolízií. Takýto prístup nezaručuje RT komunikáciu, a z tohto dôvodu je potrebné komunikáciu v sieti Profinet riadiť.

Profinet IO-Controller riadi komunikáciu v sieti Profinet IO tak, že rozdelí posielanie telegramov do cyklov. V každom cykle je časť prenosového kanála vyhradená pre dáta IRT, dáta RT a časť pre štandardné dáta TCP/IP (obr. 7). Realizácia IRT alebo RT komunikácie musí byť podporovaná každým účastníkom siete Profinet IO, a to v druhej vrstve (linková) modelu ISO/OSI (obr. 2).

Obr. 7.

Obr. 6. Formát telegramu Profinet IO
Obr. 7. Princíp komunikácie v reálnom čase

V prípade, že sa používa tento najrýchlejší typ komunikácie Profinet IO, je nutné, aby izochrónny RT podporoval aj príslušný switch. Vlastnej výmene dát v režime IRT predchádza synchronizácia všetkých účastníkov, pričom sa používa protokol IEEE 1588 (PTP – Precision Time Protocol). Ide o procedúru, v ktorej na začiatku základného cyklu PTP-master vysiela (broadcast) synchronizačný telegram s cieľom synchronizovať hodiny účastníkov a určiť oneskorenie linky a takto eliminovať časovú chybu pod 1 µs. Pri IRT komunikácii sa nevyužíva priorita v telegramoch ako pri RT komunikácii. Postupne každý účastník siete IRT Profinet IO má pridelený svoj časový interval pre vysielanie (provider) a pristupuje do zaručene uvolnenej siete „bez vyzvania„ v určitú dobu, len na základe vlastných synchronizovaných hodín. Ostatný účastníci podľa potreby prijímajú (consumer) poskytnuté telegramy. Keďže sa nepoužíva metóda výzva – odpoveď, šetrí sa tým doba komunikácie.

Režim IRT je tiež otvorený, umožňuje RT aj NRT komunikáciu v rámci základného cyklu a neobmedzuje protokol TCP/IP.

7. PLC ako Profinet IO Controller

Táto a nasledujúce kapitoly prinášajú rôzne demonštračné zapojenia zariadení Profinet IO, od zdanlivo triviálnych až po typické štruktúry používajúce sieťové komponenty. Budú popísané hardwarové a softwarové prostriedky a inžinierske nástroje pre návrh konfigurácie, parametrizáciu a oživenie komunikácie. Uvedené zapojenia boli overené v praxi na katedre automatizácie a regulácie FEI STU Bratislava.

Obr. 8.

Obr. 8. PLC ako Profinet IO-Controller
Obr. 9. PC ako Profinet IO-Controller (hore zapojenie, dole hardvérová konfigurácia)

Prvý príklad, demonštrujúci výmenu informácií v Profinete IO, reprezentuje prepojenie programovateľného logického automatu (PLC) s komunikačným modulom decentrálnej periférie (obr. 8). PLC je typu Simatic S7-300 s procesorovou jednotkou 315-2PN/DP vybavenou komunikačným rozhraním PN (Profinet). Obdobne ako PLC tohto typu sa aj toto zariadenie konfiguruje a programuje v prostredí Simatic Step7 Manager. V hardvérovej konfigurácii zariadenia je rozhranie PN modulu CPU nastavené do režimu Profinet IO-Controller (zariadenie master) a na prislúchajúcej vetve siete je pridaný modul decentrálnej periférie Simatic ET-200S. Modul ET-200S nie je priamo akčný člen alebo snímač, ide o vstupné a výstupné periférne rozhranie binárnych alebo analógových signálov. Komunikačný modul reprezentuje zariadenie slave (Profinet IO-Device) v sieti, obdobne komunikujúce ako decentrálne periférie zbernice Profibus protokolom Profibus-DP. Zariadenie je na sieti identifikované vlastnou MAC adresou (Media Access Control) tvorenou šesticou bajtov. Z dôvodu príjemnejšej identifikácie a práce so zariadením sa mu pri prvotnej parametrizácii pridelí jedinečný textový názov. Všetky prevedené nastavenia sa uložia na prídavnú pamäťovú kartu MMC (Multimedia Card). Keďže komunikácia Profinet je postavená na báze štandardu sieťových protokolov TCP/IP, je potrebné pred zahájením komunikácie v sieti prideliť jej všetkým účastníkom jedinečné IP adresy. O prideľovanie sa stará zariadenie Profinet IO-Controller (master), v zmieňovanom prípade Simatic PLC S7 315-2PN/DP. Master identifikuje zariadenia slave na sieti podľa prideleného jedinečného názvu a následne im určí IP adresu, vždy o jednu jednotku vyššiu ako u predchádzajúceho zariadenia slave. Tento proces prideľovania je automatický, pracuje porovnateľne ako služba DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) a je to jedna zo základných úloh zariadenia Profinet IO-Controller. Update time Profinet IO, teda doba výmeny všetkých údajov v jednom cykle, je pri tomto zapojení približne 1 ms.

Obr. 9.

8. PC ako Profinet IO-Controller

Praktická demonštrácia komunikácie s jedným modulom Profinet IO s využitím PC je na obr. 9. Ide o najjednoduchšiu hardvérovú konfiguráciu, ktorou je možné overiť komunikáciu Profinet IO s jediným priemyselným výrobkom, popr. takto riadiť jednoduchý proces pomocou PC. PC je vybavené operačným systémom MS Windows XP a programom Simatic Softnet, verzia 6.2 SP1, s podporou vytvorenia služby OPC Server. PC je nakonfigurované pomocou asistenta Simatic Softnet a cez nástroj Simatic Step7 Manager, verzia 5.3 SP1, ako Profinet IO-Controller. PC je teda zariadenie riadiace celú komunikáciu v sieti, prístup k médiu a proces prideľovania IP adries.

PC pristupuje ku komunikácii štandardnou sieťovou kartou Ethernet-CP (Communication Processor), po nainštalovaní programu Simatic Sofnet obohatenou v systémových nastaveniach sieťového pripojenia MS Windows XP o protokol Profinet IO. Update time je v tomto prípade 10 ms.

Výmenu dát s decentrálnou perifériou ET-200S riadi aplikácia OPC Server v režime Profinet IO, vytvárajúca spojenia pre nadradených pristupujúcich klientov cez komponenty Active X. Ako klientská aplikácia bol v tomto prípade použitý softvér SCADA HMI Simatic WinCC, verzia 6.0 SP2.

9. Zariadenia v sieti Profinet IO

Tretím príkladom využitia komunikačnej siete Profinet IO je prepojenie troch účastníckych staníc Simatic PLC S7 315-2PN/DP ako Profinet IO-Controller, PC so softvérom Simatic Softnet ako Profinet IO-Supervisor a decentrálnou perifériou ET-200S ako Profinet IO-Device (obr. 11).

Obr. 10.

Obr. 10. PC ako Profinet IO-Controller, vnútorná štruktúra softvéru

Prepojenie všetkých zariadení v sieti Profinet IO zabezpečuje priemyselný switch Scalance X206-1 s vestavanou podporou pre Profinet. Okrem štandardnej funkcie prepínača siete Ethernet zariadenie podporuje aj cyklickú a acyklickú RT komunikáciu a diagnostiku jednotlivých portov s generovaním alarmových hlásení pre nadradenú stanicu (Profinet IO-Controller alebo Profinet IO-Supervisor). Switch garantuje nadradené postavenie zariadenia Profinet IO-Controller a dodržiavanie cyklickej komunikácie.

V uvedenom zapojení reprezentuje PLC a decentrálna periféria riadiaci systém s cyklickou RT komunikáciou. Update-time je rovnako ako v prvom príklade 1 ms. Príslušné PC zastrešuje úlohy vizualizačnej (Simatic Softnet a WinCC) aplikácie a diagnostickej stanice. PC komunikuje s PLC acyklicky. Sieť Profinet IO na obr. 11 je možné rozšíriť o ďalšie zariadenia, komunikujúce rôznymi protokolmi, napr. Profinet CBA.

10. Záver

Experimentálne zapojenia s komunikačným systémom Profinet IO boli v praxi vyskúšané na katedre automatizácie a regulácie FEI STU Bratislava. Realizácia bola možná s podporou združenia Profibus SK a firmy Siemens. Uvedené pokusy ukázali, že je pomerne jednoduché vytvoriť sieť Profinet IO, pokiaľ sú k dispozícii vhodné verzie softvéru, ktoré boli použité v opise zapojení.

Obr. 11.

Obr. 11. Sieť Profinet IO s priemyselným switchom

Profinet je otvorený komunikačný systém nezávislý od výrobcu. Profinet IO je navrhnutý ako univerzálny priemyselný komunikačný systém pre automatizáciu prevažne diskrétnych procesov pracujúcich v reálnom čase. Verzia s izochrónnym časovaním je určená hlavne pre pohybové systémy. Profinet IO je plne kompatibilný a prepojiteľný so systémom Profibus. Výroba a aplikácia zákazníckych integrovaných obvodov pre Profinet predznamenávajú mohutný nástup tejto komunikačnej techniky.

Profinet predstavuje novú platformu komunikácie, ktorá dostupnými nástrojmi zjednocuje nielen hierarchickú komunikáciu v podniku, ale aj rôzne komunikačné systémy navzájom na báze priemyselného Ethernetu.

Literatúra:
[1] Profibus International [on line] 2006 [cit: 2006-06-09]. Dostupné na internete: http://www.profibus.com/pi
[2] Združenie Profibus SK [on line] 2006 [cit: 2006-06-09]. Dostupné na internete: http://www.profibus.sk
[3] Profibus Technology and Application, System Description. Profibus Nutzerorganisation, Karlsruhe, 2002.
[4] POPP, M. – WEBER, K.: The Rapid Way to Profinet. Profibus Nutzerorganisation, Karlsruhe, 2004.
[5] INTERBUS Integration in Profinet IO, Guideline. Profibus International, 11/2004, Order No. 7.012.
[6] ZEZULKA, F.: Prostředky průmyslové automatizace. VUT Brno, 2004. ISBN 80-214-2610-1.
[7] GABRIEL, J.: Demonštračné pracovisko pre Simatic. [Diplomová práca.] FEI STU Bratislava, 2004.
[8] GABRIEL, J.: Industrial Ethernet a Profinet. In: Odborný seminár, 2005 [cit: 2006-06-07]. Dostupné na internete: http://www.profibus.sk/sk/pdf/Gabriel.pdf

Ing. Peter Drahoš, PhD.
(peter.drahos@stuba.sk),
Ing. Juraj Gabriel
(juraj.gabriel@stuba.sk),
Fakulta elektrotechniky a informatiky STU Bratislava