Profinet – przemysłowy standard komunikacji

Dynamiczny rozwój systemów automatyki w instalacjach przemysłowych spowodował konieczność łączenia lokalnych (punktowych) systemów sterowania w coraz bardziej rozbudowane i rozproszone. A rozproszony system wymaga, aby jego elementy były połączone w sposób niezawodny i bezpieczny. Takie połączenie może zapewnić Profinet – przemysłowy standard wymiany informacji bazujący na sieci Ethernet.

Początkowo do budowania rozproszonych systemów sterowania wykorzystywane były proste interfejsy komunikacyjne, przejęte z systemów komputerowych lub z systemów stosowanych w innych branżach (np. lotnictwie). Z czasem interfejsy te ewaluowały i powstały nowsze implementacje, a na ich fizycznej warstwie powstały bardziej złożone protokoły. Przykładem takich interfejsów były RS422 / RS485 oraz protokoły takie, jak Modbus RTU czy Profibus DP, Genius.

Choć wymienione interfejsy komunikacyjne pozwalają na łączenie rozproszonych systemów, to niestety standardowo cechują się określoną strukturą połączeń (magistralową), narzucającą spore utrudnienia w tworzeniu instalacji. Równolegle w świecie komputerów rozwijane były inne interfejsy, wśród których największą popularność zyskała sieć Ethernet. Mało kto pamięta, że początkowy Ethernet też miał budowę sieci opartej o magistralę. Szybko jednak pojawiły się nowsze implementacje, w których klasyczne włączanie się za pomocą trójników do magistrali zostało zastąpione przez rozwiązania oparte o standard 10BaseT. Zamiast koncentrycznego kabla magistralowego zastosowano połączenia oparte o kable typu skrętka, łączone do centralnego koncentratora (hub).

Zastosowanie koncentratora pozwoliło na bardziej swobodne łączenie urządzeń (np. budowa połączeń typu gwiazda), jednakże konieczność rywalizacji urządzeń o dostęp do łącza sprawiała, że sieć była niedeteministyczna, co w dużym stopniu wykluczało ją z odpowiedzialnych zastosowań przemysłowych. Dopiero dalszy rozwój sieci Ethernet i urządzeń służących do jej budowy pozwolił na zminimalizowanie a przy odpowiednio zaprojektowanej sieci niemalże całkowite usunięcie tych ograniczeń. Kolejnym krokiem było opracowanie standardu protokołu komunikacyjnego, bazującego na Ethernecie, a przeznaczonego specjalnie do zastosowań przemysłowych. Tak powstał Profinet.

Profinet (Process Field Network) jest standardem komunikacji, który przy użyciu dedykowanych interfejsów zapewnia efektywną wymianę danych w procesach przemysłowych najczęściej pomiędzy systemami sterowania, układami IO i układami systemów napędowych (falowniki, serwonapędy). Do sieci komunikujących się urządzeń mogą być podłączane również inne elementy (przyciski, czujniki, konwertery układy wyjściowe, które zostały wyposażone w obsługę tej sieci. Profinet bazuje na sieci Ethernet i występuje w różnych wariantach. Najczęściej stosowany Profinet IO wykorzystywany jest w wymianie danych pomiędzy sterownikami a układami wejść/wyjść.

Urządzenia sieci Profinet

W sieci Profinet wykorzystywane są trzy typy urządzeń: kontroler (IO-Controller), skaner (IO-Device) i urządzenie nadzorujące (IO-Supervisor). Kontroler jest urządzeniem pełniącym rolę układu sterowania komunikacją i konfiguracją urządzeń w sieci Profinet. Jest koncentratorem danych, cyklicznie rozsyłając je do podlegających mu urządzeń, a także odbierając je od nich. Mogą to być zarówno dane procesowe, jak i alarmy, zgłaszane przez podporządkowane urządzenia.

Skaner profinetowy (IO-Device), zwany też wyspą, to element obiektowy, który najczęściej zbiera sygnały dyskretne i analogowe, a następnie przesyła je do kontrolera. Działa one również w drugim kierunku, wystawiając lokalnie dane otrzymane od kontrolera w formie sygnałów dyskretnych lub analogowych.

IO-Supervisor jest to najczęściej komputer z oprogramowaniem, które pozwala na wstępną parametryzację urządzeń Profinet oraz diagnostykę sieci.

W sieci Profinet najczęściej stosowane są elementy wykorzystujące komunikację w trybie Profinet RT (Real Time), w którym można uzyskać cykliczny odczyt i zapis informacji z częstotliwością zależną od wydajności podłączonych urządzeń – czasy odświeżania mogą wynosić od 1 ms do 512 ms. Taka częstotliwość odświeżania danych jest wystarczająca dla większości procesów. Dla wielu aplikacji wskazane jest nawet celowe jej obniżenie, aby niepotrzebnie nie generować zbędnego ruchu sieciowego, a przez to pozostawić odpowiedni bufor na komunikację innych urządzeń lub obsługę niecyklicznej komunikacji.

Osobną grupę stanowią urządzenia wykorzystujące protokół IRT (Isochronous Real-Time).  Zastosowanie znajdują tu głównie urządzenia napędowe (serwonapędy), gdzie oczekujemy bardzo szybkiej reakcji układu i dużej precyzji ruchu. Wymiana danych w tym trybie możliwa jest z czasem poniżej 1 ms. Tak duża częstotliwość wymaga jednak dedykowanych urządzeń sieciowych, innych niż „klasyczne” switche Ethernet.  Sprzętowo wspomagana synchronizacja czasu minimalizuje błędy rozbieżności sterowania poniżej 1us.

Jak rozpocząć pracę z urządzeniami i siecią Profinet?

Zainicjowanie komunikacji w sieci Profinet rozpoczyna się od odszukania przyporządkowanych do kontrolera urządzeń. Identyfikacja ta odbywa się poprzez wyszukanie urządzenia po nazwie, która przypisana została do projektu systemu na etapie tworzenia projektu. Sterownik PLC, moduł komunikacyjny lub inny element będący kontrolerem sieci profinet może wymieniać dane z kilkoma lub więcej urządzeniami IO (skanerami), gdzie ich maksymalna liczba uzależniona jest od wydajności i dostępności zasobów w ramach użytego urządzenia.

W bardziej zaawansowanych systemach kontroler klasy PAC może mieć zainstalowanych kilka modułów kontrolerów sieci Profinet, przez co ilość podłączonych układów skanerów może sięgać kilkudziesięciu, a nawet kilkuset. Kontroler Profinet odszuka urządzenia, gdy te będą miały przydzielone unikatowe w sieci nazwy. Fabrycznie dostarczone elementy układów IO najczęściej mają taka samą „fabrycznie” nadaną nazwę. Przed ich zainstalowaniem w docelowym systemie należy je wstępnie przekonfigurować, przypisując unikatowy identyfikator do każdego z nich. W tym celu należy skorzystać z odpowiedniego oprogramowania konfiguracyjnego wykorzystującego protokół DCP (Discovery and Configuration Protocol), które jest wstanie odszukać dostępne urządzenia i wyświetlić ich parametry.  Wśród prezentowanych informacji najczęściej wyświetlana jest nazwa urządzenia, którą można zmienić, adres MAC (adres fizyczny urządzenia), adres IP i maska sieci. Możemy też dostać informacje, czy urządzenie jest już przypisane do kontrolera i czy się komunikuje.

Konfigurując kontroler Profinet (który przeważnie jest elementem systemu sterowania PLC, PAC lub DCS) do współpracy z podłączonymi układami skanerów, należy wybrać typ urządzenia I/O (przez wybór producenta i modelu) oraz skonfigurować jego parametry. Proces ten może się odbywać poprzez ręczne wskazanie elementów stanowiących system, lub przez przeciągnięcie wykrytych urządzeń I/O w oprogramowaniu przeszukującym sieć i w ten sposób dołączeniu ich do projektu. Opis urządzeń znajduje się w plikach GSDML, dostarczanych przez producenta urządzenia. Zawiera on informacje o możliwych do ustawienia parametrach, w tym informacje o interfejsie urządzenia oraz możliwych do skonfigurowania modułów wejść/wyjść i trybach, w jakich mogą pracować. Konfiguracji interfejsu oraz podłączonych do niego modułów wejść wyjść dokonuje się poprzez konfigurację slotów i subslotów.

Po skonfigurowaniu parametrów wyspy określamy parametry wymiany danych z wyspą, w tym interwał cyklicznej wymiany danych. Należy zauważyć, że każde z podłączonych do kontrolera urządzeń może mieć określony swój własny interwał. W dobrze projektowanych sieciach zwraca się uwagę, aby wybrana częstotliwość była optymalna: ani zbyt mała (tak aby dane były aktualne), ani zbyt duża (aby niepotrzebnie nie obciążać całej sieci, a dzięki temu pozostawić obszar na dalszą rozbudowę instalacji w przyszłości lub zezwolić na komunikację innych urządzeń z wykorzystaniem istniejącej struktury sieciowej bez wpływu na niezawodność komunikacji w sieci Profinet).

Topologie sieci Profinet

Najprostszy układ Profinet obejmuje dwa urządzenia: kontroler i skaner. Urządzenia mogą być spięte ze sobą bezpośrednio. Na etapie pierwszej konfiguracji należy podłączyć jeszcze supervisor, ale w późniejszym czasie może on być odłączony. Elastyczność Profinetu dostrzeżemy, gdy liczba podłączanych urządzeń będzie większa. Rozbudowując system możemy tworzyć połączenia typu łańcuch, typu gwiazda lub mieszane.

Wśród obsługiwanych struktur połączeń można wykorzystać również połączenie typu ring (pierścień). Połączenie pierścieniowe wymaga jednak, aby wszystkie pracujące w takim układzie urządzenia obsługiwały protokół MRP (Media Redundancy Protocol). Jedno z podłączonych urządzeń musi dodatkowo pełnić rolę nadzorcy ringu, a pozostałe pracować w trybie klientów.

Połączenie typu ring zapewnia większą niezawodność sieci, gdyż na skutek zerwania jednego z połączeń urządzenia mogę przesyłać dane drogą alternatywną. Dodatkowo należy zauważyć, że zastosowanie urządzeń obsługujących protokół MRP zapewni znacznie większą wydajność, niż klasyczne protokoły redundancji połączeń, jak STP czy RSTP.

W skład urządzeń stanowiących ring może wchodzić kontroler sieci Profinet, ale równie dobrze pierścień mogą stanowić inne urządzenia, np. switche i układy I/O z obsługą MRP, a sam kontroler może być podłączony jako jedno z odgałęzień ringu.

Elastyczność rozbudowy sieci Profinet to cecha, która w istotnym stopniu odróżnia ją od klasycznych rozwiązań magistralowych, gdzie po wdrożeniu systemu konieczność dodania dodatkowych urządzeń może wiązać się z projektowaniem całego układu od początku.

Dodatkowo należy zaznaczyć, że w sieci Profinet można dopuścić ruch sieciowy innych protokołów Ethernet. Należy to robić z dużym wyczuciem i kontrolą obciążenia sieci, jednakże przy dobrze zaprojektowanym układzie można wykorzystać jedną warstwę sieciową, by połączyć funkcjonalności, które w przypadku np. sieci szeregowych wymagałyby niezależnie poprowadzonych magistral.

Systemy redundantne Profinet

Profinet oferuje również wsparcie dla systemów redundantnych. Wspomniana wcześniej redundancja połączeń w ramach ringu to jedno z rozwiązań.  Ponadto w specyfikacji Profinetu przewidziano również inne konfiguracje, podnoszące niezawodność instalacji. Jedna z nich to komunikacja skanera (IO-Device) z kontrolerami pracującymi w układzie redundancji. Układ taki pozwala na sterowanie procesem przez jeden (aktywny w danej chwili) kontroler, a w przypadku jego awarii – przełączenie sterowania na kontroler rezerwowy. Oba redundantne kontrolery oraz skaner pracują na jednym interfejsie i w jednej sieci. Urządzenia, które wspierają taką konfigurację, oznaczane są jako urządzenia Profinet z interfejsem klasy S2. Należy jednak zauważyć, że to rozwiązanie jest opcjonalne i nie każde z urządzeń Profinet jest w stanie obsługiwać taki tryb pracy (podobnie jak pracę w układzie sieci ring z MRP).

Inne tryby redundancji mają oznaczenia R1 i R2. W przypadku trybu R1 dwa niezależne kontrolery mogą komunikować się z wyspą profinetową (skanerem), o ile urządzenie pełniące tę rolę posiada dwa niezależne interfejsy Profinet. Tryb R2 umożliwia połączenie redundantnych kontrolerów z wykorzystaniem dwóch niezależnych interfejsów skanera.

Okablowanie dla sieci Profinet

Typowym kablem stosowanym do budowy sieci Profinet jest standardowa skrętka kategorii 5E lub wyższej, ze złączem RJ45 lub innym (jak M12), oraz dwiema parami przewodów o parametrach zapewniających odpowiednie przenoszenie sygnału. Choć wiele dostępnych urządzeń Profinet pozawala na pracę z prędkością 100 Mb/s, dostępne są również rozwiązania kontrolerów i układów IO (skanerów), które obsługują prędkość 1 Gb/s. Podobnie wygląda sytuacja z obsługiwanymi interfejsami. Istnieją również urządzenia, które oferują podłączenie sieci Profinet za pomocą sieci światłowodowej, posiadając wbudowany interfejs dla złącza światłowodowego lub gniazdo do instalacji wkładki SFP, która umożliwia wykorzystanie kabli światłowodowych.

Podsumowanie

Profinet to nowoczesny standard komunikacji przemysłowej, oferujący dużą elastyczność, prostotę konfiguracji i dostęp do bardzo szerokiej, ciągle powiększającej się listy urządzeń wykonawczych, które można zastosować w układzie sterowania. Możliwość skalowania systemu opartego na Profinecie – poprzez łatwe dodawanie kolejnych elementów – jest wielkim atutem, odpowiadającym na potrzeby współczesnych systemów sterowania. Rozwiązania zgodne z wytycznymi Przemysłu 4.0 muszą charakteryzować się zdolnością do szybkich modyfikacji, będących odpowiedzią na zmienne wymogi i realia rynkowe. Zastosowanie sieci Profinet sprawi, że w aspekcie komunikacji takie zmiany mogą być szybkie i bezproblemowe.