Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2022/06/Switch-Moxa-Profinet-TIAPortal-iAutomatyka_0.jpg

Co skrywa MOXA? Switch-e dla sieci Profinet i konfiguracja w TIA Portal.


Kiedyś myślałem, że jeśli „stawia się” taki nowy system sterowania to jedynym słusznym i profesjonalnym podejściem jest użycie wszystkich komponentów jednego producenta. Że dopiero to zapewnia spójność całego systemu. Myliłem się. I to bardzo! Po czasie dopiero dostrzegłem, ile traci się przez takie podejście. I nie mówię tylko o pieniądzach, ale i o możliwościach funkcjonalnych urządzeń. Zawsze znajdzie się jakaś funkcja lub zbiór funkcji w danym urządzeniu, które idealnie wpasowałoby się w nasze potrzeby. Ale później pojawiają się obawy:

„Czy napewno będzie pasować, czy to nie za duże kombinowanie?  A może, gdzieś coś przeoczyłem? A nie prościej byłoby wziąć wszystko od jednego producenta? Wszystko przyjdzie w jednej ofercie i łatwiej będzie zamówić. Wyślą razem z innymi rzeczami no i nie ma obawy, że nie będzie pasować. W końcu i tak ja za to nie płacę.”

Jeśli jesteś projektantem systemów automatyki lub automatykiem, pewnie miałeś kiedyś takie myśli. A może to tylko ja tak mam… Nie ważne. Najgorszy jest strach przed nieznanym. Trzeba go przezwyciężyć!

Jak już zaspojlerował tytuł artykułu, będzie w nim mowa o switchach Profinet i tutorial z ich konfiguracji. Siemens ma swoje switche więc po co kombinować? Co przekonuje do urządzeń Moxa?

Ich jakość!

Wystarczy dosłownie wziąć taki switch w rękę, by zobaczyć, że to kawał porządnego sprzętu. To samo tyczy się dopracowanego software’u. Co do produktów tej marki osobiście jestem do nich przekonany. BTW: Bardzo często używam konwertera Moxa Ethernet <-> RS232/422/485, który nie raz uratował mnie przed wyjazdem w delegacje i nigdy mnie nie zawiódł!

Ostatnio miałem przyjemność dokonać przeglądu urządzeń automatyki działających w sieci Profinet. W ramach tego przeglądu raz jeszcze przyjrzałem się switchom Moxy, które tradycyjnie dostarczył Elmark Automatyka. A dlaczego Profinet? Bo protokół ten jest bardzo popularny w Polsce jak i całej Europie, gdzie znalazł zastosowanie w dziesiątkach czy setkach tysięcy systemów sterowania. Dzięki niemu możliwe było odejście od szeregowych magistral i krok w kierunku świata IT w przemyśle.

Profinet

Protokół Profinet bazuje na technologii przemysłowego Ethernetu. Przechodząc z jego poprzednika, Profibusa, bazującego na magistrali szeregowej RS485 zyskujemy przeskok technologiczny. Jednocześnie mamy większą swobodę w kształtowaniu topologii systemu i zarazem znajdujemy się bliżej świata IT. Bazowanie na Ethernecie pozwala na skomunikowanie urządzeń za pomocą standardowej skrętki, lecz w warunkach przemysłowych znacznie lepiej sprawdzą się dedykowane czterożyłowe kable. Złącza sieciowe to standardowe RJ45, a dla zastosowań IP67 przemysłowe M12.

Urządzenia w sieci Profinet standardowo powinny posiadać mały dwuportowy switch co w połączeniu z obsługą MRP (Media Redundancy Protocol) pozwoli na wykonanie topologii ringu i w rezultacie redundancję połączeń.  W przypadku braku wsparcia redundancji połączeń porty te mogą równie dobrze posłużyć do utworzenia Ethernet-owej magistrali. Możemy też wykorzystać tylko jeden port i podłączyć urządzenia w topologię gwiazdy. W urządzeniach z jednym portem nie mamy sumie innego wyjścia. Centrum takiej topologii tak jak w Ethernecie będzie switch. W dalszej części tego artykułu zobaczysz odpowiednie rozwiązania i przykład ich zastosowania w konfiguracji sieciowej.

Większą ingerencję i liczbę różnic między Ethernetem a Profinetem znajdziemy w warstwie softwareowej. Ethernet wykorzystuje ruch TCP/IP i segmentację ramek danych jednocześnie dopuszczając do pewnych opóźnień w transmisji. W przemysłowym środowisku jest to niedopuszczalne! Z tego powodu Profinet działa inaczej. Protokoły TCP i IP wykorzystywane są wyłącznie do nawiązania komunikacji i diagnostyki. Natomiast właściwa wymiana danych procesowych następuje cyklicznie, a sam kanał nosi nazwę RT czyli Real Time. Czas takiego cyklu może wynosić od 1 milisekundy.  Dla bardzo wymagających aplikacji jak synchronizacja napędów można użyć trybu IRT i zejść z cyklem komunikacji do nieco powyżej 30 mikrosekund.
Podsumowując Profinet to stricte przemysłowy protokół wykorzystywany głównie od szczebla bardziej zaawansowanych przetworników, napędów, czy wreszcie wysp zdalnych IO do sterowników PLC.

Switche sieciowe

W sieciach ethernetowych switch to najczęściej używane rozwiązanie pozwalające połączyć ze sobą wiele urządzeń, które przekierowuje ruch w sieci między nimi. Takie samo zadanie switch pełni w sieci Profinet. Natomiast urządzenia standardowe i przystosowane do potrzeb przemysłu trochę się różnią. Nie mam tu na myśli solidnej obudowy czy możliwości pracy w wyższych temperaturach, bo to jest oczywiste. W standardowym przełączniku jeśli pakiet danych trafi do drukarki z opóźnieniem lub kopiowanie plików na chwilę „zawiesi się” to nic się nie stanie. W systemach sterowania ważne jest, aby wszystkie informacje docierały zgodnie z czasowymi oczekiwaniami. Nie można zatem pozwolić na słabe elementy systemu blokujące czy opóźniające ruchu pakietów w sieci. Takimi często okazują się właśnie switche. Dlatego urządzenia przewidziane do pracy z danym protokołem, jak w naszym przypadku Profinetem, priorytetyzują pakiety danych tych protokołów przed standardowym ruchem TCP/IP.

W sieci Profinet nie jest wymagane zastosowanie switchy zarządzalnych. Możemy użyć najprostszego switcha niezarządzalnego, ważne by wspierał protokół sieciowy z powodu podanego powyżej. Jednak takie użycie wykluczy możliwość stworzenia topologii pierścienia (ang. Ring). Switch niezarządzalny nie wspiera protokołu MRP, nie mamy możliwości nadania mu adresu IP i nazwy w sieci Profinet, a zatem nie dodamy go w konfiguracji sieci w naszym sterowniku. Także bazowanie na warstwie drugiej nie pozwoli nam na prawidłowe wykrycie topologii sieci przez protokół LLDP.

Zastosowanie przełącznika zarządzalnego wspierającego MRP pozwoli na utworzenie połączenia ringu. Taki switch może być wykryty przez protokół LLDP (Link Layer Discovery Protocol) co stanowi zaletę przy badaniu faktycznej, fizycznej topologii sieciowej. Dodatkowo mamy najczęściej możliwość wydzielania sieci wirtualnych (VLAN) oraz Port mirroring do badania ruchu w sieci za pomocą choćby WireShark-a. Możliwość diagnostyki i to w dodatku zdalnej jest nieoceniona dla każdego automatyka!

Dlatego do sieci Profinet, w której występuje choć kilka urządzeń zalecane jest użycie przełączników zarządzalnych. Najlepszym sposobem na naukę jest uczenie się na przykładach. Jeden z nich znajdziesz w dalszej części tego artykułu.

Przykładowe produkty

Od Elmark Automatyka przy okazji przeglądu urządzeń współpracujących w sieci Profinet dostaliśmy trzy switche zarządzalne do testów:

Dwa pierwsze pochodzą z tej samej serii, a różnią się tylko ilością i typem interfejsów sieciowych. SDS-3008 posiada ich 8 i wszystkie mają postać portów RJ45 (tak naprawdę 8P8C – wtajemniczeni znają różnicę). SDS-3016-2GSFP ma ich aż 16, ale z tego tylko 14 to porty RJ45. Pozostałe 2 są portami SFP znanymi także jako miniGBIC. Moduł SFP jest mały nadajnik-odbiornik wpinany w złącza różnych urządzeń sieciowych, który pozwala rozszerzyć funkcjonalność urządzenia o dodatkowe standardy komunikacyjne. Dzięki nim możemy za pomocą niewielkiej wkładki dowolnie zmienić interfejs złącza ze zwykłego portu RJ45 na optyczne ze złączami LC, itd. Trzeci switch na tle poprzedników wyróżnia się posiadaniem 3 portów Gigabit Ethernet combo. W ich przypadku możemy wybierać między złączem RJ45, a wkładką SFP. Pozostałe 7 portów to RJ45 Fast Ethernet.

Konfiguracji switchy dokonujemy przez webserver, gdzie między innymi mamy możliwość skonfigurowania VLAN-ów. Dla trzeciego przełącznika mamy jeszcze możliwość konfiguracji przez port USB za pomocą komputera z oprogramowaniem. Cała trójka może być także skonfigurowana przez ABC-02 (Automatic Backup Configurator) w przypadku posiadania zapisanej na nim zapasowej kopii ustawień.

Wszystkie trzy switche posiadają metalową obudowę i przystosowane są do montażu na szynie DIN oraz mogą zostać zasilone redundantnym napięciem od 9,6 do 60VDC więc idealnie wpiszą się w przemysłowe standardy. Poza tym wspierają protokoły PROFINET, EtherNet/IP oraz Modbus/TCP i ułatwiają integrację oraz monitorowanie w systemach HMI/SCADA. Wspierają także znany ze świata IT protokół RSTP/STP. Model 510E redundancję połączeń może także realizować przy pomocy Moxa Turbo Ring i MSTP ale za to nie obsługuje Profinetowego MRP. Oprócz wspieranych przez słabsze modele SNMPv3 oraz HTTPS zapewnia też TACACS+, SSH i MAC address sticky oraz obsługę QoS, IGMP Snooping/GMRP, LACP, RMON.

Konfiguracja w TIA Portal

Dobra, koniec tych skrótów! W końcu i tak wszystko sprowadza się do zastosowania (w naszym przypadku) w systemie sterowania. Jak już pisałem, najlepiej uczyć się na przykładach. Załóżmy więc, że posiadamy system, w którym znajduje się sterownik PLC Siemens, wyspa zdalnych IO oraz przemiennik częstotliwości. Wszystkie urządzenia zostały połączone w topologii pierścienia, tak jak przedstawiono na rysunku poniżej:

Dochodzi do sytuacji, w której potrzebujemy dołożyć jakieś urządzenie współpracujące w sieci Profinet. Niech będzie to enkoder, który zgodnie ze standardem Profinet posiada dwuportowy switch. Natomiast nie wspiera on protokołu MRP, zatem nie możemy dołączyć go do naszej topologii bez jej „rozpięcia”. Tworząc konfigurację sieciową musiałaby ona wyglądać tak:

Uzyskaliśmy topologię magistrali w sieci Ethernet. W efekcie straciliśmy aspekt redundancji połączeń i naraziliśmy system na awarię. Co więcej nie mamy tu do czynienia z siecią Profibus tylko Profinet. Każde z urządzeń posiada dwuportowy switch będący urządzeniem elektronicznym. Zatem wyłączenie tego urządzenia spowoduje brak komunikacji do urządzeń znajdującym się także za nim na naszej magistrali. Zobacz co się dzieje po wyłączeniu przemiennika:

Straciliśmy także komunikację z naszym enkoderem, pomimo że wszystkie połączenia są nadal wykonane poprawnie. A przemiennik przecież może wyłączyć się na skutek różnych sytuacji jak choćby zadziałania zabezpieczenia nadprądowego. Oczywiście urządzenia moglibyśmy zamienić kolejnością, lecz i tak nie stanowiłoby to idealnego rozwiązania. Moglibyśmy dołożyć też zwykły switch niezarządzalny, ale to również nie rozwiązałoby sprawy z redundancją połączeń.

Wyjściem jest za to dodanie do naszej sieci przełącznika zarządzalnego z obsługą MRP. Aby to zrobić potrzebny jest plik konfiguracyjny GSDML opisujący właściwości urządzenia. Dzięki niemu jesteśmy w stanie wykorzystać dane urządzenie w oprogramowaniu dowolnego producenta, z jakimkolwiek sterownikiem komunikującym się w sieci Profinet.

Nie martw się.

Każdy z producentów dba o to, by te pliki były ogólnodostępne i łatwe w znalezieniu. Nie inaczej jest w przypadku Elmark Automatyka dystrybuującego switche Moxa. Ja w swojej konfiguracji użyłem SDS-3008. To najmniejszy i najprostszy z trzech przełączników, który otrzymaliśmy do testów. Zobaczysz, że sprawdzi się w naszym zadaniu idealnie. Wyszukujemy go na stronie elmark.com.pl skąd przekierowani zostaniemy na stronę producenta z najaktualniejszym plikiem:

Plik importujemy do TIA Portal analogicznie jak wszystkie pliki GSDML po czym dodajemy nasz przełącznik analogicznie jak inne urządzenia:

I co teraz? Jak zmieniła się nasza sytuacja w systemie? Na razie nie zmieniła się wcale, bo jeszcze nie skonfigurowaliśmy naszego switcha. Jak zrobić to najlepiej? Moim zdaniem wrócić do konfiguracji topologii pierścienia. Nasz system po modyfikacji może wyglądać tak jak poniżej:

Należy pamiętać o odpowiednim skonfigurowaniu wszystkich urządzeń tak aby współpracowały w topologii pierścienia. Sterownik jest Manager-em tej sieci, a reszta urządzeń w ringu są Client-ami. Żebyśmy dobrze się zrozumieli. Manager-em wcale nie musi być sterownik. Może nim być dowolne inne urządzenie posiadające funkcjonalność Manager-a MRP i często w rozbudowanych sieciach są nimi właśnie switche.  Wróćmy do naszego przykładu. Zwróć uwagę, że zmieniłem nazwę przełącznika na „switch1”. Jest to niepowtarzalna nazwa jaką to urządzenie będzie miało nadaną w sieci Profinet.

Przełącznikowi został nadany adres IP 192.168.0.100. Oczywiście domyślnie nie posiada on takiego adresu i musimy mu go nadać sami. Na obudowie urządzenia widnieje domyślny adres 192.168.127.253 i na taki wchodzimy przez zwykłą przeglądarkę. Logowanie do webservera to domyślnie login: admin i hasło moxa. Fabrycznie protokół Profinet jest dezaktywowany i należy go aktywować (można to też zrobić mechanicznym pokrętłem na spodzie urządzenia, ale jeśli zrobimy to przez webserver to zawsze zdalnie będziemy mogli coś jeszcze zmienić). Ja dezaktywowałem jeszcze Modbus TCP i aktywowałem MRP na portach 1 i 2.

Jak widzisz nie zmieniłem jeszcze adresu IP i nazwy urządzenia. Mógłbym to zrobić w webserverze, ale pokaże Ci jak to zrobić w TIA Portal. Dzięki temu będziesz wiedział jak zmienić te parametry dla większości, jeśli nie wszystkich urządzeń w sieci Profinet z jednego miejsca. W menu Online -> Accessible devices odnajdziesz teraz switch, po czym zostajesz przekierowany do okna Online&diagnostic, gdzie możliwa jest zmiana adresu IP oraz nazwy w sieci Profinet.

Wprowadzamy nasze dane z konfiguracji i zatwierdzamy przyciskami Assign. Po odświeżeniu widać już, że nasze urządzenie jest odpowiednio skonfigurowane:

Co teraz? Teraz już zostało wgrać konfigurację do sterownika i cieszyć się z dobrze wykonanej roboty! 🙂

Przykład był banalny, wręcz oczywisty. Ale takie są najlepsze! Przecież każdy system sterowania i tak jest inny i charakteryzuje się czymś wyjątkowym. Dlatego praca automatyka jest tak ciekawa. Mając przykład podstawowy będziesz w stanie odnieść go do swojej sytuacji i poprawnie zastosować.

Ale czy to już wszystko co oferuje nam Moxa? O nie, to jeszcze nie koniec! Dobrze byłoby wystawić jakieś informacje o aktywnych połączeniach i ewentualnych problemach do systemu SCADA, prawda? Diagnostyka połączeń sieciowych to bardzo często wymagany element systemów sterowania. W przypadku naszego przełącznika zrobimy to wprost z poziomu sieci Profinet. Wystarczy dodać odpowiedni obszar wejść, analogicznie jak w przypadku każdego modułu zwykłej wyspy IO. W zakładce „IO tags” dodajemy tagi, których objaśnienie oczywiście znajdziesz w manualu do urządzenia na stronie Moxy.

Po wgraniu konfiguracji możemy już podejrzeć, jakich informacji dostarcza nam przełącznik:

Urządzenie sprawne, zasilone przez gniazdo nr. 2, z włączoną obsługą redundancji połączenia. Pierwsze trzy porty mają aktywne połączenie. Tylko co robi flaga aktywnego połączenia na porcie ósmym? Odpowiedź jest prosta. Podłączyłem się tam komputerem, żeby podejrzeć program na sterowniku. To kolejna zaleta naszego switcha. Bez rozpinania redundantnego połączenia jesteśmy w stanie podłączyć się serwisowo do sterownika. No i wolnych zostało jeszcze kilka dodatkowych portów, które mogłyby się przydać w przypadku konieczności podłączenia jeszcze kolejnych urządzeń.

Podsumowanie

Moim celem było pokazanie, że wykorzystanie urządzeń różnych producentów w jednym systemie sterowania wcale nie musi być czymś trudnym do zrealizowania. Ilość powyższych kroków, może wydawać się duża. Ale są to standardowe czynności, które musielibyśmy i tak wykonać, niezależnie czy jest to Siemens czy Moxa. A dzięki tej drugiej bardzo prosto zyskaliśmy diagnostykę połączeń w naszej sieci, a samo urządzenie zajęło mniej miejsca w szafie sterowniczej. Zatem nie bój się „miksować” różnych producentów w swoich systemach sterowania. Wszystko będzie dobrze!

PS: Chcesz zobaczyć taki mix urządzeń Profinet-owych? Zobacz film, o którym wspominałem już wcześniej:

 



Utworzono: / Kategoria: , , , , ,
  • Autor: Pawel Zadroga • iAutomatyka.pl
  • Redaktor w iAutomatyka.pl Jestem absolwentem kierunku Automatyki i Robotyki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. Głównym obszarem moich zainteresowań była mechanika, dopóki nie odkryłem ile radości dają urządzenia automatyki! Głównie styczność mam z Mitsubishi Electric, EATON, Siemens, WAGO, Webhmi i kilka innych.
  • Profil Autora
  • http://www.iautomatyka.pl/

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!



PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ



NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



POLECANE FIRMY I PRODUKTY