Маркетингові дослідження, проведені спеціалістами багатьох профільних компаній, дали однозначний висновок про те, що в комунікаційних технологіях промислових систем автоматизації, які донедавна в основному використовували PROFIBUS, буде здійснено перехід на нову, принципово кращу мережу реального часу – PROFINET.

Визнавши незворотність цього процесу, керівний менеджмент компанії VIPA поставив за мету в короткий термін забезпечити надходження на ринок продукції, яка повністю підтримує мережеві стандарти нового покоління. У цій статті ми зробимо порівняльний аналіз сучасних мереж, а також познайомимо Вас з новими моделями CPU та системи розподіленого ІО, які побудовані на основі концепції PROFINET.

Від технології польової шини до PROFINET

Перше покоління польових шин, наприклад, PROFIBUS, Interbus-S, CANopen, на початку вісімдесятих років замінило паралельне підключення бінарних і аналогових сигналів на цифрові технології передачі даних, створивши логічний зв’язок між рівнем керування та рівнем датчиків і виконавчих механізмів. Це означало початок реалізації вертикально інтегрованих систем автоматизації, на верхньому рівні яких найбільшого розповсюдження здобула мережа Ethernet. За рахунок великої швидкості передачі даних, перешкодостійкості, суттєвій простоті і дешевизні її впровадження та широкій підтримці апаратними засобами технологія Ethernet одноосібно запанувала в локальних комп’ютерних мережах.

До теперішнього часу стандарт Ethernet залишається незамінимою комунікаційною системою. В промисловості мережа Ethernet дозволяє вирішувати такі задачі, як віддалений доступ, реалізація центрального сховища даних, підключення до баз даних, жорстке адміністрування користувачів, інтеграційне об’єднання різних систем. Єдиною перешкодою того, що ця мережа не могла бути використана на польовому рівні – це недетермінованість та негарантована доставка інформації адресату. Для одночасної передачі даних в режимі реального часу та реалізації "офісної комунікації" необхідно було створити стандарт Ethernet реального часу. Таким стандартом являється PROFINET, який побудовано на базі мережі Industrial Ethernet. Він був представлений широкому загалу на прес-конференції PNO (Profibus Network Organization) у 2000 році як комунікаційний протокол, що визначається стандартами IEC 61158. В подальшому PROFINET зазнавав деяких модифікацій, і остаточно був сформований в жовтні 2010 року виданням версії 2.3, в якій його було розділено на два типи: PROFINET IO та PROFINET CBA.

Рис. 1. Структура сучасної розподіленої мережі

PROFINET IO (Process Field Network) здійснює зв'язок між децентралізованою периферією і вищестоячою системою керування. Тому тут легко можуть бути реалізовані рішення автоматизації, які вже використовуються на PROFIBUS. Розробники нової мережі прийняли безударну стратегію переходу, таким чином, щоб наявні периферійні пристрої могли бути використані без змін, а програмування користувацьких додатків мало еквівалентну процедуру. Просто змінюється інтерфейс і середовище передачі даних. Таким чином, мережа PROFINET IO розглядається в якості наступника PROFIBUS-DP з розширеною продуктивністю.

Розподілені польові пристрої при конфігуруванні системи призначаються програмованому PROFINET-контролеру. Якщо цей контролер має PROFIBUS інтерфейс, то він одночасно може бути ведучим DP-пристроєм. Якщо він окрім цього володіє функціональністю PROFINET CBA, він може використовуватись для реалізації технологічних модулів в децентралізованій системі автоматичного керування.

Принцип "ведучий/ведений", що використовується в PROFIBUS DP, тут перетворено на модель “постачальник/споживач”. З точки зору комунікаційного зв’язку усі PROFINET-пристрої мають однакові привілеї в Ethernet. Тим не менш, під час параметризації, кожному пристрою призначається свій тип, який визначає спосіб комунікаційного зв’язку у відповідності з зазначеною моделлю.

В PROFINET IO розрізняють чотири класи пристроїв:

• IO-Supervisor. Це пристрій з людино-машинним інтерфейсом (HMI), призначений для проектування. Зазвичай це ПК чи програматор (PG), які також використовуються для обслуговування та діагностування ІО-контролерів та ІО-пристроїв. ІО-супервізор може підключатися до системи в онлайн режимі, при чому зазвичай на короткий період – на час відлагодження програми та пошуку несправностей. Набір функцій ІО-супервізора відповідає ведучому PROFIBUS-пристрою класу 2.
• IO-Controller. Це програмований контролер, як правило PLC, в якому виконується програма, що реалізує функції автоматичного керування. В складі мережі PROFINET обов’язково повинен бути присутній хоча б один ІО-контролер. Набір його функцій відповідає ведучому PROFIBUS-пристрою класу 1.
• IO-Device. Це розподілений польовий пристрій, який обмінюється даними з одним чи більше ІО-контролером, використовуючи механізми PROFINET IO. Конфігурація мережі містить не менше одного ІО-пристрою. Набір функцій ІО-пристрою відповідає веденому PROFIBUS-пристрою.
• IO-Parameter Server. Це серверна станція, зазвичай ПК, для завантаження та зберігання даних конфігурацій усіх ІО-пристроїв мережі.

Рис. 2. Класи пристроїв в технології PROFINET IO

Обмін даними між комунікаційними станціями виконується з використанням стандартного каналу зв’язку, який базується на протоколі ТСP/IP, та каналу реального часу. В свою чергу, всередині цих каналів дані передаються з використанням різних протоколів.

Рис. 3. Обмін даними між пристроями PROFINET IO

Стандартний канал зв’язку PROFINET реалізується на базі таких протоколів сімейства TCP/IP:

• UDP – параметризація пристроїв, зчитування діагностичних даних, завантаження схеми з’єднань, ациклічне читання та запис даних;
• ІР – передача даних в підключених мережах;
• DNS – адміністрування логічних імен в мережах на базі ІР-адресації;
• SNMP – адміністрування мережевих вузлів (сервери, маршрутизатори, комутатори…), зчитування статусу та статистичної інформації, виявлення комунікаційних помилок;
• ARP – конвертування ІР-адрес в МАС-адреси Ethernet;
• ICMP – передача інформації про помилки.

Канал реального часу базується на наступних протоколах:

• RT – циклічна передача даних, ациклічна передача переривань, загальні адміністративні функції;
• LLDP – розпізнавання сусідніх вузлів, обмін власними МАС-адресами, іменами пристроїв та номерами портів;
• PTCP – синхронізація часу.

Оскільки технології PROFINET використовують Ethernet, то вони описуються стандартами IEEE 802.3 і мають характеристики:

• 100 Mбіт/с, повний дуплекс
• час циклу 1 мс, (в варіантах IRT до 250 мкс)
• кількість ІО-пристроїв до 255
• відстань між двома вузлами може складати 100 м
• топологія мережі: "лінійна", "зірка", "деревовидна" та їх комбінації.

Різниця між старою мережевою технологію PROFIBUS, та новою – PROFINET представлена нижче в порівняльній таблиці.

Табл. 1. Порівняння основних характеристик технологій PROFINET IO та PROFIBUS DP

Мережі реального часу, засновані на промисловому Ethernet

Отримання даних в режимі реального часу – невід’ємна вимога до систем промислової автоматизації. Це в першу чергу означає виконання задач в чітко задані проміжки часу. Такі системи найчастіше називаються системами жорсткого реального часу, де затримка в роботі може призвести до небажаних наслідків. Розподілена система реального часу, що з’єднує обчислювальні станції, представляє таку мережу передачі даних, яка гарантує доставку кожного пакету даних від відправника до отримувача в межах визначеного часового проміжку. Привабливість Ethernet для детермінованих мереж пов’язана з його головною перевагою – високою швидкістю передачі даних (від 100 Mбіт/с). Проте Ethernet не може забезпечити функціонування системи в реальному часі. Причина знаходиться всередині його протоколу, де на канальному рівні закладений механізм множинного доступу (CSMA\CD), який унеможливлює розрахунок гарантованої тривалості циклу передачі даних. Для того, щоб Ethernet функціонував в реальному часі, в його протокол необхідно ввести додатковий механізм, який дозволить уникнути появу колізій. Такі механізми є в Ethernet-сумісних протоколах реального часу. Окрім згадуваного вже PROFINET, під ці поняття підпадають EtherCAT, EtherNet/IP, Powerlink, CC-Link IE, які ми коротко розглянемо нижче.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) – протокол розроблений компанією Beckhoff для контролю переміщень. Мережа EtherCAT базується на архітектурі master/slave і може співіснувати з Ethernet. Одночасно працює як в режимі реального часу так і недетермінованого часу. Процес читання/запису в ведених пристроях виконується апаратно за допомогою спеціального контролера, завдяки чому ця операція займає декілька наносекунд. Швидкодія EtherCAT дозволяє опитувати 1000 пристроїв з циклом 30 мс. У порівнянні з PROFINET, EtherCAT має більшу кількість постачальників, оскільки використовує відкриті технології.

EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) – це відкритий протокол рівня додатків, сумісно розроблений міжнародними асоціаціями ControlNet International та Open DeviceNet Vendors Association. На ринок просувається американською компанією Rockwell. Функціонування в режимі реального часу забезпечується за рахунок розширення об’єктно-орієнтованого протоколу часовою синхронізацією. Протокол EtherNet/IP базується на наступній концепції: кожен сегмент мережі повинен знаходитись у власній віртуальній VLAN (визначається стандартом IEEE802.1Q) і мати топологію "зірка". Невелика розповсюдженість цього протоколу зумовлена малою кількістю постачальників, що підтримують його на контролерному рівні. Powerlink. Протокол розроблено австрійським виробником комунікаційного обладнання B&R. Мережа базується на використанні системи планування сегментів недетермінованого та реального часу. Для забезпечення умов реального часу в рамках Ethernet, цикл передачі даних реалізується по методу SCNM, який виключає можливість виникнення колізій. Powerlink використовує два типи даних: PDO для передачі високопріоритетних даних, що тактуються по часу та SDO для низькопріоритетних даних, некритичних до часу доставки. Фізично профіль пристрою представляє собою електронну XML-сумісну таблицю, яка знаходиться в пам’яті в форматі ESD-файлу. Реалізація протоколу не вимагає застосування спеціального апаратного забезпечення. За швидкістю Powerlink незначно поступається EtherCAT і гарантує цикл передачі даних в межах 200 мкс з точністю 1мкс.

CC-Link IE – це відкритий стандарт інтегрованої 1-Gigabit Ethernet мережі, розроблений компанією Mitsubishi Electric. Підтримкою та просуванням цього стандарту займається CC-Link Partner Association. Мережа має ряд спеціальних функцій, що забезпечують легке адміністрування, а саме: автоматичне повернення станції в робочий режим в реальному часі після видалення модуля з мережі, система дублювання, автоматичне виявлення відключення каналу зв'язку й виходу з ладу станції, розширені функції тестування і діагностики.

Загальна розповсюдженість описаних мереж представлена у наступній таблиці.

Табл. 2. Кількість членів, що входять в організації підтримки та просування мереж реального часу

Рис. 4. Кількість задіяних вузлів PROFINET перевищило 3 млн.

Системи PROFINET від VIPA

Запуск мережі PROFINET на світовий ринок був здійснений компанією Siemens. При чому це відбувалось такими високими темпами, що багато клієнтів почали відчувати занепокоєння від усвідомлення того, що вони не готові до переходу на нові сучасні технології. Тисячі системних інтеграторів, які спеціалізуються на постачанні рішень на базі компонентів Siemens, були змушені терміново розширити своє портфоліо. В перелік їхніх обов’язків ввійшло не тільки впровадження систем на базі PROFINET, а й забезпечення безударного переходу клієнтів від PROFIBUS до PROFINET.

Не винятком стала і компанія VIPA. Як активний гравець на ринку систем автоматизації світового масштабу, VIPA не могла стояти осторонь цих процесів. Сформована кон'юнктура зумовила потребу у швидкому розширенні продуктової лінійки новими CPU та інтерфейсними модулями з підтримкою PROFINET ІО. Завдяки тісній кооперації з компанією Profichip, яка являється розробником процесору SPEED7, в дуже стислі терміни VIPA змогла запропонувати своїм клієнтам готові рішення. CPU300PN. В області PLC розроблено два SPEED7 CPU з вбудованим контролером PROFINET ІО. Обидва процесори можуть застосовуватись для вирішення задач, які входять до компетенції Siemens, але також мають ряд індивідуальних характеристик. До них відноситься стандартний інтегрований Ethernet PG/OP інтерфейс та унікальна внутрішня SPEED-шина, яка забезпечує дуже швидку передачу сигналів від комунікаційного процесору СР чи каналів ІО. Наявність в CPU вбудованого інтерфейсу MPI/DP дозволяє ефективно використовувати ці контролери не тільки в мережах PROFINET, а і в PROFIBUS.

Табл. 3. Характеристики нових процесорних модулів з PROFINET

Рис. 5. VIPA CPU 317-4PN12 з підтримкою SPEED-шини

SLIO PN. В області розподілених входів\виходів серії SLIO розроблено інтерфейсний модуль для забезпечення slave-комунікації в мережі PROFINET ІО. За відносно короткий час існування цієї серії, вона стала всесвітньо визнаною багатьма компаніями, як децентралізована польова система керування та збору даних в режимі реального часу. SLIO – це дуже компактна модульна серія продуктів від VIPA, яка завдяки великій кількості інтерфейсних модулів може працювати в складі більшості розповсюджених мереж, серед яких тепер є і PROFINET ІО. SLIO виступає інтерфейсом між рівнем виробництва та шинними системами високого рівня.

Табл. 4. Характеристика нового інтерфейсного модуля з PROFINET

Рис. 6. VIPA SLIO PROFINET IO slave 053-1PN00

Високошвидкісна внутрішня шина та легке конфігурування системи відповідно до поставлених задач – головні переваги цієї лінійки продуктів від VIPA.

Технологія PROFINET буде продовжувати розвиватися, тому не можна зупинятися на досягнутому. Через це спеціалісти компанії вже зараз працюють над удосконаленням розроблених модулів, розширюючи їх функціональність. Нижче наведена таблиця, в якій показано що зроблено в цьому напрямку.

Табл. 5. Нові удосконалення модулів VIPA

Розширивши лінійку своєї продукції, компанія VIPA залишається відкритою до комунікацій з пристроями сторонніх виробників. IO-периферія конкурентів може бути легко підключена до PROFINET контролерів VIPA, так само як VIPA IO може бути інтегровано в існуючі мережі PROFINET. Відкрита концепція VIPA аналогічно працює і на системах PROFIBUS DP, Modbus TCP, EtherCAT, DeviceNet і CANopen, що дозволяє проявляти гнучкість при змінах на ринку чи реалізації нових рішень.