PROFINET – podstawy, teoria i praktyka

PROFINET to sieć przemysłowa oparta na standardzie Ethernet. Najnowsze linie technologiczne i instalacje wykorzystują PROFINET do komunikacji między urządzeniami systemu sterownia.

Kiedy realizowałem pierwsze projekty, w których należało zastosować PROFINET, wykorzystywałem głównie wiedzę o sieciach Ethernet. Informacje na temat konfiguracji urządzeń i sieci czerpałem z manuali różnych producentów. Szukałem też gotowych przykładów tzw. „example” w sieci lub filmów na Youtube, aby zestawić komunikację między urządzeniami. Po pewnym czasie oczywiście chciałem wiedzieć, jak działa wymiana danych w sieci PROFINET, jak skonstruowana jest ramka ethernetowa, metody diagnostyki sieci, protokół Ethernet itp.

Chciałbym zaznaczyć, że przedstawione w artykule informacje są wyłącznie oparte ma moich poszukiwaniach – głównie w Internecie oraz testach, jakich mogłem wykonać w praktyce na dostępnych urządzeniach. Nie jestem także z wykształcenia informatykiem oraz nie uczestniczyłem w żadnym „profesjonalnym” szkoleniu i może dla części osób będzie to „amatorskie” podejście do tematu. Ten artykuł ma na celu przybliżenie podstawowych pojęć i zagadnień na temat sieci PROFINET.

Urządzenia

Do testów zostały wykorzystane urządzenia Simatic oraz IFM. Jednak można wykonać próby, posiadając sprzęt z interfejsem PROFINET różnych producentów. Połączenia sieciowe elementów systemu automatyki zostały przedstawione na rysunku poniżej.

Poniżej tabela z podstawowymi parametrami sieciowymi urządzeń, wprowadzonych podczas konfiguracji połączeń.

Sterownik PLC, wyspa I/O oraz połączenia komunikacyjne zostały skonfigurowane w środowisku TIA Portal.

Programy do konfiguracji urządzeń PROFINET

Jest dostępnych kilka programów, które mogą pomóc w konfiguracji, diagnostyce, uruchomieniu i utrzymaniu sieci PROFINET.

PROFINET SET

Oprogramowanie skanujące sieć PROFINET- bardzo intuicyjne w obsłudze. Za pomocą tego oprogramowania można m.in.

• wyświetlić listę urządzeń w sieci wraz z podstawowymi informacjami (adres IP, adres MAC, producent, nazwa);
• ustawić adres IP, maskę, bramę;
• ustawić nazwę PROFINET;
• włączyć sygnalizację/identyfikację urządzenia np. miganie diodami urządzenia, miganiem ekranu panela itp;
• przywrócić ustawienia fabryczne (uwaga: nie wszystkie urządzenia da się w ten sposób przywrócić do ustawień fabrycznych np. sterownik PLC);
• otworzyć stronę WEB.

Poniżej zrzuty ekranów przestawiające funkcje oprogramowania PROFINET SET.

• [1] wybór interfejsu sieciowego,
• [2] filtry listy elementów,
• [3] lista elementów.

PRONETA

Oprogramowanie również skanuje sieć PROFINET i posiada takie same możliwości jak  program PROFINET SET (wyświetlanie listy, zmiana adresów i nazwy,  identyfikacja, otwieranie strony WEB itp.).

PRONETA posiada funkcję rysowania topologii sieci (aby to było możliwe, urządzenia muszą być odpowiedniej klasy zgodności- co najmniej CC-B). Jeśli w sieci zostanie zastosowany prosty switch niezarządzalny, to niestety topologia sieci nie zostanie rozpoznana prawidłowo. Poniżej przykład prawidłowo zidentyfikowanej topologii sieci.

LR-Device – oprogramowanie służące do konfiguracji urządzeń IO-LINK. Oprogramowanie z bardzo przejrzystym interfejsem. Dzięki niemu można skonfigurować podstawowe parametry sieciowe IO-Link Master- nazwa PROFINET, adres IP, maska itp.

Można również skonfigurować czujniki IO-Link podłączone do Mastera (np. progi alarmowe, zakresy czujników itp.).

PROFINET – Podstawowe informacje

Profinet jest otwartym system komunikacji stosowany w systemach automatyki. Wykorzystując standard PROFINET, można przesłać:

• dane niekrytyczna czasowo – konfiguracja, parametry;
• dane krytyczne czasowe – komunikacja w czasie rzeczywistym RT;
• dane z synchronizacją czasu – komunikacja izochroniczna w czasie rzeczywistym IRT.

Cykliczna wymiana danych w PROFINET jest komunikacją deterministyczną- posiada zdefiniowany cykl, w którym odbywa się wymiana danych. Dla sieci RT wymiana może się odbywać z cyklem 1, 2, 4,…512ms (najszybciej 1ms, najwolniej 512ms). Dla trybu izochronicznego IRT- częściej niż 1 ms- 500us, 250us, 125us.

Urządzenia w sieci PROFINET pracują w trybie pełnego dupleksu – full duplex z prędkością 100Mb/s. Profinet wykorzystuje m.in. protokoły TCP/IP i standardy IT.

Komunikacja w sieci PROFINET jest inicjalizowana za pomocą protokołu TCP/UDP, a diagnostyka jest przesyłana acyklicznie. Jednocześnie dane procesowe są przesyłane cyklicznie.

Przełączniki

Ważnym elementem sieci PROFINET są przełączniki/switch. Są stosowane do kierowania strumieniami danych do urządzeń. Przełączniki posiadają tablicę FBD, w której są zapisywane adresy MAC urządzeń. Kolejność adresów zależy od kolejności obieranych ramek ze źródeł danych. Brak odpowiedzi urządzenia na dane wysyłane przez przełącznik, powoduje usunięcie jego adresu z tablicy FBD. Co jakiś czas są przesyłane dane rozgłoszeniowe w celu wykrycia nowych urządzeń.

Dzięki zastosowaniu przełączników w sieci nie dochodzi do kolizji danych- buforują oraz kierują odpowiednio pakiety danych.

Przełączniki mogą działać wg. dwóch algorytmów:

• przechwytywania/buforowania (Store and Forward) – polega na pamiętaniu całych ramek, uszkodzone ramki z błędną sumą kontrolną zostają odrzucone, co może spowodować opóźnienia;
• przycinania ramek (Cut Throught) – polega na przesyłaniu danych po otrzymaniu adresu docelowego, bardzo szybkie przesyłanie ramek.

https://iautomatyka.pl/switch-zarzadzalny-vs-switch-niezarzadzalny-roznice-podobienstwa-zadania/

Rodzaje urządzeń w sieci PROFINET

W sieciach PROFINET występują trzy typu urządzeń:

• PROFINET IO-Controller (np. PLC) – odpowiada za wymianę informacji z urządzeniami obiektowymi, steruje obiektem na podstawie informacji otrzymanych i wysyłanych do urządzeń obiektowych,  zarządza komunikacją z IO-Device.
• PROFINET IO-Device (np. wyspa IO) – wymienia dane z IO-Controller, zbiera dane z obiektu i przesyła do IO-Controllera, steruje urządzeniami wykonawczymi na podstawie  przesłanych danych ze sterownika.
• PROFINET IO-Supervisor (np. programator, komputer ze środowiskiem programistycznym) – urządzenie do parametryzacji i diagnostyki sieci PROFINET;

Modele OSI/ISO

Modele obrazują, w jaki sposób dane zostają przygotowane do przesłania za pomocą protokołów. Model warstwowy OSI/ISO opisuje, w jaki sposób dane z jednej aplikacji trafiają do drugiej. Dane są transportowane między warstwami, wykorzystując do tego różne protokoły.

Dane przed wysłaniem zostają „obudowane” dodatkowymi danymi i przesłane do warstw niższych – proces enkapsulacji. Wyodrębnienie danych z warstw niższych i odczytanie w aplikacji nazywany jest dekapsulacją.

PROFINET jest otwartym systemem komunikacyjnym. Warstwa aplikacji nie ma zdefiniowanych protokołów, dlatego każda firma (organizacja) może opracować swoją aplikację.

Model OSI/ISO dla PROFINET został przedstawiony na rysunku poniżej.

Protokoł TCP/UDP jest protokołem niezawodnym i połączeniowym. W tym protokole sprawdzana jest poprawność przesłanych danych. Jest on przeznaczony do zadań niekrytycznych czasowo np. nawiązanie połączenia, serwer WWW.

W komunikacji RT (Real Time) wymagane jest jak najszybsze przesłanie danych oraz minimalne obciążenie procesorów urządzeń. Dzięki wykorzystaniu sieci Fast Ethernet 100Mb/s w standardzie PROFINET, której zaimplementowano full-duplex (jednoczesne nadawanie i odbiór), zostało zwiększone dwukrotnie pasmo przesyłowe. W kanale RT pominięto kilka warstw komunikacyjnych, co skróciło długości ramek, czasu jej przygotowania i skróciło czas obsługi stosu komunikacyjnego. Kanał RT został przygotowany na podstawie drugiej warstwy Ethernet- cykliczna wymiana danych.

Kanały komunikacyjne  

PROFINET umożliwia komunikacje za pomocą trzech kanałów TCP/UDP, RT i IRT.

• Kanał TCP/UDP nie jest deterministyczny. Tym kanałem są przesyłane dane dotyczące nawiązywania połączeń, parametryzacji stacji IO-Device, dane serwera WWW, inicjalizowana wymiana danych, przesyłane parametry oraz dane diagnostyczne;
• Kanał RT – cykliczna wymiana danych, przesyłanie alarmów, monitorowanie komunikacji. Ten kanał wykorzystuje także protokół DCP- przypisywanie nazw i adresów nazw stacji;
• Kanał IRT- deterministyczna wymiana danych w czasie rzeczywistym, synchroniczna wymiana danych procesowych z odchyłką <1us, praca z wykorzystaniem makrocykli.

Protokół TCP/IP nie jest protokołem wydajnym- dane są dzielone na paczki, a następnie są scalane przez odbiorcę (proces przygotowania, analizy, obiory, scalania danych wydłuża czas cyklu sieci). W kanale RT dane nie są dzielone, dlatego czas cyklu jest krótszy.

Inicjalizacja komunikacji

Wymiana danych procesowych między IO-Conroller a stacją IO-Device jest możliwa dzięki kanałom komunikacyjnym AR (Application Relation). Kanał jest inicjalizowany przez IO-Controller na postawie konfiguracji w środowisku programistycznym (TIA Portal). Jedno powiązanie AR może zawierać kilka relacji komunikacyjnych CR (Communication Relation).

Proces inicjalizacji komunikacji można podzielić na etapy:

1. sprawdzenie dostępności- jeśli urządzenie nieodpowiada na zapytania, IO-Controller cyklicznie sprawdza jego dostępność;
2. weryfikacja nazw i adresów IP – jeśli IO-Device zgłosi się z odpowiednią nazwą, to zostanie przydzielony odpowiedni adres z projektu za pomocą protokołu DCP;
3. nawiązanie kanału komunikacyjnego AR – wykorzystanie protokół UDP/IP;
4. inicjalizacja relacji komunikacyjnej CR;
5. przekazywanie danych procesowych- cykliczna wymiana danych RT;
6. przesłanie alarmów i diagnostyki- acykliczna wymiana danych.

Przypisanie adresu IP stacji IO-Device – protokoły DCP i ARP

Protokół DCP (Discovery and Configuration Protocol) – jest używany przez narzędzie inżynierskie i kontroler do wykrywania urządzeń, identyfikowania informacji o urządzeniu i konfigurowania ustawień urządzenia. Protokół DCP jest zwykle używany w systemach PROFINET do obsługi adresu sieciowego i zarządzania nazwami, ponieważ każdemu urządzeniu PROFINET przypisana jest unikalna nazwa urządzenia.

Protokół ARP (Adress Resolution Protocol) –  jest używany do zarządzania adresami IP powiązanymi z adresami MAC.

Poniżej zostało przestawione, w jaki sposób przebiega weryfikacja nazw i adresów IP – jeśli IO-Device zgłosi się z odpowiednią nazwą, to zostanie przydzielony odpowiedni adres z projektu za pomocą protokołu DCP. Przed wpisaniem adresu IP, sprawdzane jest, czy dany adres istnieje już w sieci.

Kanały komunikacyjne AR i relacje komunikacyjne CR

Po uruchomieniu systemu IO-Controller inicjalizuje komunikację na podstawie danych konfiguracyjnych. IO-Controller ustanawia powiązania komunikacyjne (CR) i relacje (AR).  Po nawiązaniu połączeń komunikacyjnych, może nastąpić cykliczna wymiana danych procesowych.

Dla jednego kanału komunikacyjnego AR nawiązywane jest połączenie komunikacyjne CR. W ramach relacji komunikacyjnej (CR) wyróżnia się 3 rodzaje połączeń:

• IO-Data – połączenie do przesyłania danych procesowych;
• Record Data – połączenie do przekazywania danych konfiguracyjnych;
• Alarm- połączenie do przesyłania alarmów.

Wymiana danych procesowych

Cykliczne dane I/O są wysyłane bez potwierdzenia kanałem IO-Data. Wymiana danych odbywa się z określonym czasem cyklu, ustawianym dla każdego z urządzeń IO-Device. Połączenie jest monitorowane jako wielokrotności czasu cyklu.

Schemat wymiany danych procesowych podczas połączenia komunikacyjnego IO-Data.

Dane procesowe zawierają bajty statusu:

– IOCS – IO Consumer Status;

– IOPS – IO Provider Status.

Tryb IRT (Isochronous Real Time)

Tryb IRT jest stosowany w aplikacjach, w których wymagany jest zsynchronizowane przesyłanie danych i uzyskanie czasu odświeżania poniżej 1ms.  Są to przeważnie aplikacje do sterowania napędami Motion Control.

Główną zasadą trybu IRT jest zarezerwowanie kanału, w którym dane mają najwyższy priorytet.

Dane IRT są przesyłane z najwyższym priorytetem. Dalej są przesyłane dane w trybie RT, a na końcu dane TCP/IP (najniższy priorytet). Maksymalny przydzielony udział danych IRT/RT w cyklu to 60%.

Synchronizacja jest realizowana za pomocą protokołu PTCP- przesyłanie wartości zegara czasu ze stacji IO-Controller do IO-Device z odpowiednią korektą spowodowaną czasem transmisji.

Należy pamiętać, że tryb IRT wymaga odpowiednich urządzeń klasy CC-C- np. są dostępne specjalne switche. Klasy urządzeń CC-A i CC-B nie wspierają tryby IRT.

Ramka

Podstawowa ramka Ethernet jest przedstawiona poniżej.

Pole TYPE może zawierać długość ramki- LEN lub typ- TYPE:

– wartość pola TYPE <0600HEX – pole wskazuje długość ramki. – wartość pola TYPE >=0600HEX – pole wskazuje typ ramki.

Wartość TYPE-8892HEX oznacza, że dana ramka jest ramką PROFINETową.

Dalsze pola ramki PROFINET.

 Rozszerzona ramka PROFINET, została przestawiona poniżej.

Rozszerzona ramka PROFINET zawiera dodatkowo:

• informację o priorytecie (PROFINET wykorzystuje priorytety 5 i 6);
• znaczniki VLAN.

Badanie ruchu w sieci

Protokółu PROFINET nie da się „diagnozować” tak jak PROFIBUS. W sieci PROFINET należy wykonać pomiary ruchu w odpowiednim miejscu, ze względu na zastosowanie przełączników, które kierują przesyłaniem danych. Dlatego wymagana jest znajomość topologii sieci, aby wykonać pomiar w odpowiednim miejscu. Najczęściej analizuje się ruch danych za IO Contollerem.

Analiza ruchu w sieci o topologii gwiazda.

Analiza ruchu w sieci o topologii liniowej.

IO Controller zarządza wymianą danych w sieci PROFINET, dlatego w tych miejscach sieć jest najbardziej obciążona- przechodzą wszystkie dane między IO-Controllerem a urządzeniami IO-Device danej sieci.

Do badania ruchu w sieci należy także użyć odpowiedniego urządzenia z oprogramowaniem:

• urządzenie typu TAP (Test Access Point) – specjalistyczne urządzenie przeznaczone do zbierania informacji, współpracuje najczęściej z oprogramowaniem, dzięki któremu można w sposób profesjonalny śledzić ruch w sieci.

• switch (przełącznik) zarządzalny- wykorzystanie funkcjonalności portu lustrzanego (ang. Mirror Port) – możliwość obserwacji ruchu na porcie przez „skopiowanie” go na inny port.

Przewaga TAP jest oczywista, ponieważ jego podstawową funkcją tego urządzenia jest analiza ruchu i parametrów sieci. Natomiast funkcją przełącznika jest kierowanie ruchem strumienia danych do urządzeń. W sieciach bardzo mocno obciążonych może wystąpić problem ze skierowaniem ruchu na port lustrzany.

Dzięki urządzeniom TAP można wyznaczyć dodatkowo parametry jakościowe, dzięki którym można ocenić, w jakim stanie jest sieć:

• jitter – odchylenie od zakładanego czasu aktualizacji w %;
• load ratio – liczba pakietów PROFINET na pakiet TCP/IP;
• obciążenie sieci.

Wykorzystanie switcha wiąże się przede wszystkim z wykorzystaniem urządzeń, do których ma praktycznie każdy dostęp. Można także użyć switcha w celach edukacyjnych.

Analiza ruchu w sieci PROFINET – wykorzystanie switcha

Posiadając switch zarządzalny z funkcjonalnością portu lustrzanego, można śledzić ruch w sieci. W pierwszej kolejności należy odpowiednio skonfigurować porty, na których będzie badany ruch w sieci.

Logowanie do urządzenia.

Włączenie funkcji kopiowania danych z portu 1 na port 4.

• Mirrored Port (port nr 1)- port, z którego będą kopiowane dane;
• Monitor Port (port nr 4)-  port, do którego zostanie podłączone urządzenie do analizy ruchu w sieci tj. komputer PC z oprogramowaniem Wireshark.

Analiza ruchu w sieci PROFINET z urządzeniami Indu-Sol

Analiza oraz ocena parametrów jakościowych sieci Profinet jest możliwa dzięki zastosowaniu dedykowanych narzędzi np. firmy Indu-Sol. Niemiecki potentat już od wielu lat specjalizuje się w produkcji rozwiązań diagnostycznych dla sieci przemysłowych. Jako jedna z niewielu firm na świecie posiada w swoim portfolio kompleksowe rozwiązania dla sieci Profinet, od planowania i uruchomiania po szybką diagnostykę i stały monitoring. Na szczęście nie musimy wybierać się na zachód w celu zgłębienia know-how lub wybrania odpowiednich produktów. Przedstawicielem firmy Indu-Sol na rynku Polskim jest Stercontrol. Jeśli masz problemy z siecią Profinet niezależnie od etapu na jakim się obecnie znajdujesz, najlepiej zasięgnąć odpowiedniej porady u ekspertów. Jednymi z godnych uwagi rozwiązań do analizy oraz szybkiej diagnostyki sieci jest urządzenie PN-INspector oraz oprogramowanie PROscan ACTIVE.

Ocena parametrów jakościowych – diagnostyka sieci

Dla prawidłowej diagnostyki sieci ważne jest użycie odpowiedniego narzędzia. PN-INspektor w prostej i przejrzystej formie przedstawia wszystkie parametry jakościowe, dzięki którym możliwa jest szybka ocena stabilności oraz diagnostyka sieci. Sterownik PLC nie analizuje ruchu w sieci, a jedynie informuje nas o utracie komunikacji z danym urządzeniem polowym czy też konkretnym modułem. Tylko znajomość parametrów jakościowych sieci pozwala w szybki i przystępny sposób znaleźć przyczyny awarii oraz ocenić stabilność sieci, czyli to co najważniejsze przewidzieć zakłócenia. Możemy wyróżnić pięć najważniejszych parametrów jakościowych świadczących o faktycznym stanie komunikacji:

• Jitter – odchylenie rzeczywistego od zadeklarowanego czasu aktualizacji
• Frame gaps – brakujące telegramy
• Error frames – uszkodzony lub niekompletny pakiet informacji
• Load ratio – stosunek pakietów Profinet do innych np. TCP/IP
• Netload – obciążenie sieci

Wszystko to i wiele więcej jest widoczne na przejrzystym interfejsie po podłączeniu komputera.

Interfejs www  urządzenia PN-Inspektor

 Widok urządzeń z niestabilną komunikacją PROFINET

Rzeczywista Topologia, diagnostyka portów i szczegółowe informacje na temat urządzeń

Nie znasz rzeczywistej topologii swojego systemu? Nie wiesz do jakich portów przyłączono urządzenia? Nie pamiętasz wersji firmware oraz hardware? Na te i wiele innych pytań odpowie dedykowane do sieci Profinet oprogramowanie PROscan ACTIVE. Wystarczy podpiąć się na dowolny wolny port na switchu komputerem PC. Program przeskanuje naszą sieć w poszukiwaniu szczegółowych informacji na temat podpiętych urządzeń. Oprogramowanie w sposób aktywny odpytuje wszystkie urządzenia podpięte do sieci, dlatego oprócz szczegółowych danych na temat urządzeń otrzymujemy również informacje na temat konkretnych portów. Dzięki danym diagnostycznym takim jak ilość uszkodzonych bądź odrzuconych przez dany port pakietów informacji, szybko lokalizujemy potencjalne miejsce awarii.

Oprogramowanie współpracuję z PROFINET-Inspektorem NT dzięki czemu na topologii możemy łatwo zlokalizować urządzenia z niepoprawnymi parametrami jakościowymi.

 Interfejs programu PROscan ACTIVE

Analiza ruchu w sieci PROFINET – przykłady

Poniżej został przedstawiony schemat systemu automatyki,  w którym zostanie zbadany ruch w sieci. Switch został skonfigurowany, tak aby kopiował ruch z portu 1 na 4. Do portu 4 został podłączony komputer z oprogramowaniem Wireshark. Dla ułatwienia analizy, przy każdym z urządzeń została podana informacja o jego adresie MAC i przydzielonym numerze IP.

Przykład 1 – Inicjalizacja komunikacji- IO-Controller, IO-Device (S7-1500, ET200SP)

Poniżej przykład odczytu ramek podczas inicjalizacji komunikacji między IO-Controllerem (S7-1500), a IO-Device (ET200SP). Odczyt protokołów DCP i ARP- zgłoszenie urządzenia w sieci, sprawdzenie, czy adres IP już istnieje w sieci, nawiązanie połączenia.

Przykład 2 – Cykliczna wymiana danych- IO-Controller, IO-Device (S7-1500, ET200SP)

Poniżej przykład cyklicznej wymiany danych między IO-Controller i IO-Device.

Przykład 3 – Cykliczna wymiana danych- IO-Controller, IO-Device (S7-1500, IFM)

Poniżej przykład cyklicznej wymiany danych między sterownikiem i urządzeniem IFM. Cykl odczytu danych (do celów prezentacji) został zmieniony na 16ms.

Odczyt danych z urządzenia z cyklem 16 ms- konfiguracja powyżej.

Przykład 4 – Cykliczna wymiana danych- IO-Controller , IO-Device (S7-1500, ET200SP)

Interpretacja ramki PROFINET- przesłanie danych ze sterownika do kasety IO (ustawienie wyjść binarnych).

Przykład 5 – Cykliczna wymiana danych- IO-Device, IO-Controller (ET200SP, S7-1500)

Interpretacja ramki PROFINET- przesłanie danych z kasety IO do sterownika (odczyt wejść binarnych).

Przykład 6 – Cykliczna wymiana danych- IO-Controller, IO-Device (S7-1500,  IO-LINK IFM)

Interpretacja ramki PROFINET – przesyłanie danych z IFM IO-Link do S7-1500 – odczyt wartości z czujnika pomiaru odległości (porównanie wartości z ramki i z programu w TIA Portal).

Podsumowanie

Mam nadzieję, że w przystępny sposób przedstawiłem podstawowe informacje na temat protokołu komunikacyjnego PROFINET. Mam też nadzieję, że aktykuł zachęci też do własnych doświadczeń i poszerzenia wiedzy. Nabranie wprawy i doświadczenia w analizie ramek komunikacyjnych, przydaje się w rozwiązywaniu problemów z komunikacją w sieci PROFINET.

Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka – edycja Kwiecień 2020.Nagrodę LEGO MINDSTORMS + zestaw gadżetów dostarcza ambasador konkursu, firma PEPPERL+FUCHS..