Promesh P10X – strażnik Twojej sieci poza szafą sterowniczą

Jesteśmy świadkami szybko rosnącej cyfryzacji zakładów przemysłowych, gdzie standardowe czujniki wypierane są przez ich odpowiedniki wyposażone w komunikację cyfrową. I nie chodzi mi wyłącznie o IO-Link czy HART! Coraz więcej stosowanych rozwiązań opartych jest o przemysłowe protokoły wymiany danych. Czytniki kodów, czujniki wizyjne, skanery bezpieczeństwa, systemy RFID. Wszystkie te urządzenia dostępne są w wykonaniach IP67 przeznaczonych do montażu bezpośrednio na maszynie. Wszystkie także mogą zostać wyposażone chociażby w interfejs Profinetu. Mamy zatem szereg urządzeń sieciowych, które trzeba „wpiąć” do systemu. I co z tego, że wszystkie są IP67, jak przewody trafią do switcha w szafie sterowniczej, gdzieś nieopodal maszyny. Tylko czy tak być musi?

PROmesh P10X

Firma Indu-Sol znana jest z profesjonalnych rozwiązań komponentów automatyki szczególnie kojarzonej z sieciami Profinet i Profibus. W swojej ofercie posiada przełaczniki zarządzalne do zabudowy w szafie sterowniczej lub rack-owej 19″. Ale to nie one są rozwiązaniem. Będzie nim przełącznik zarządzalny PROmesh P10X w wykonaniu IP67. Po co przewody sieciowe pojedynczo sprowadzać do szafy sterowniczej podczas gdy możemy także i switch sieciowy umieścić bezpośrednio na ramie maszyny. Dziś taki switch gości w naszej redakcji za sprawą STERCONTROL, a my postanowiliśmy przyjrzeć mu się bliżej.

Zaraz pomyślisz pewnie, że to przecież tylko zwyczajny switch w obudowie IP67. Nie, to nie jest zwyczajny switch! Oczywiście, że na pierwszy rzut oka oczywiście rzuca się solidna metalowa obudowa i wbudowane w nią porty M12 z różnym kodowaniem. Kodowanie oczywiście dotyczy funkcji jaką dany port realizuje. Porty ethernetu 1-8 to M12 typ D oraz porty 9-10 M12 typu X. Za pomocą złącza X2 kodowanego typek L zasilimy redundantnym napięciem urządzenie. Złącze X3, ponownie M12 typu D służy podłączeniu do konsoli. Urządzenie dzięki podłużnej obudowie i odporności na wibracje bez problemu zamontujemy na ramie maszyny wykonanej na przykład z profili aluminiowych.

Dużo więcej niż switch!

Solidna obudowa to tylko jedna z zalet tego urządzenia. W przypadku switchy tak naprawdę liczy się to co jest w środku! A jest się czym pochwalić, gdyż w urządzenie wbudowany został tester okablowania, a sama sieć może być w inteligentny sposób monitorowana. Nie bez wyjątku switch został przystosowany do gigabitowego wariantu sieci Profinet czyli w wersji 2.4, która wspiera standardy TSN. Duża przepustowość transmisji połączona z zachowaniem przemysłowych standardów wymiany danych idealnie wpisuje się w wszechobecny Przemysł 4.0.

Profinet jest jednym z najczęściej wybieranych standardów komunikacyjnych, zarówno wśród nowych jak i modernizowanych systemów sterowania automatyki. Promesh P10X, zgodnie z wprowadzoną w 2020 roku wersją 2.4 został certyfikowany jako urządzenie:

• Conformance Class B
• Netload Class III
• Real-time Class 1

Diagnostyka okablowania

Awarie sieci komunikacyjnych najczęściej powodowane są przez uszkodzenia w warstwie fizycznej. Błędnie zarobione wtyczki czy załamania przewodu mogą przełożyć się na pogorszenie jakości transmisji danych lub doprowadzić nawet do utraty komunikacji. Zgodnie z wymogami i zaleceniami sieci Profinet, zarówno dla nowych jak i starych aplikacji istnieje konieczność weryfikacji okablowania. Gigabitowe porty PROmesh P10X umożliwiają taką diagnostykę, a wyniki obrazowane są w zintegrowanym interfejsie webowym. Dla każdego przewodu, switch wyznaczana wartość jakościową: „Q-wartość rzeczywista”. Zmienna ta jest porównywana z „wartością Q”, która zależna jest od  między innymi od długości kabla. W wyniku tego możliwe jest określenie rzeczywistego status przewodu dla każdego portu.

Natychmiastową weryfikację ułatwia kolorowa sygnalizacja stanu. Natomiast informacja o alarmie może także zostać przekazana do systemu nadrzędnego czy central zarządzających. Wszelkie progi alarmowe możemy zdefiniować pod własne wymagania. W przypadku wystąpienia alarmu jesteśmy w stanie zaplanować wymianę przewodu podczas przestoju maszyny lub prac konserwatorskich. Zauważ, że diagnostyka okablowania to bardzo cenna funkcjonalność w aplikacjach, gdzie przewody są prowadzone w prowadnikach kablowych i wielokrotnie wyginane podczas pracy maszyny.

Monitoring parametrów sieci

Wydajność i stan sieci komunikacyjnej możemy określić dzięki parametrom jakościowym. Mimo braku alarmów w sterowniku, przy obciążonej sieci Profinet cały układ może pracować na granicy stabilności. W przypadku wystąpienia dodatkowego chwilowego wzrostu obciążenia, chociażby z powodu zapytań acyklicznych czy pakietów TCP/IP, dojdzie do sytuacji, w której przepustowość będzie niewystarczająca, a system zatrzyma się z powodu błędu. Dlatego PROmesh P10X monitoruje obciążenie każdego portu niezależnie, także pod kątem uszkodzonych telegramów.

Kontroluj najważniejsze parametry dotyczące wydajności pracy aplikacji. Obciążona sieć Profinet, destabilizuje pracę instalacji, pomimo braku błędów widocznych w PLC, maszyna może działać na granicy stabilności. Częstym przypadkiem jest również chwilowy wzrost obciążenie sieci wynikający z acyklicznych zapytań lub ruchu pakietów TCP/IP. W tym celu switch PROmesh P10X udostępnia statystyki dotyczące obciążenia, każdego z działających portów. Dodatkowo porty są monitorowane pod względem uszkodzonych telegramów.

EMC, zasilanie, temperatura

To nie koniec parametrów monitorowanych przez PROmesh P10X. Zagrożeniem dla sieci komunikacyjnej mogą być występujące zakłócenia elektromagnetyczne. W takim wypadku ekranem przewodu komunikacyjnego może popłynąć prąd upływowy. I to jego pomiar wystarczy aby wyznaczyć miejsce zakłóceń EMC. Switch rejestruje dokładny przebieg i częstotliwość zakłóceń. Przekroczenie ustalonego przez nas poziomu skutkować będzie automatycznym alarmem w formie powiadomienia. Zapisywana jest też chronologiczna historia zdarzeń ułatwiająca późniejszą analizę sytuacyjną.

Popularne powiedzenie mówi, że „urządzenia działają znacznie lepiej, gdy są zasilone”. Przełączniki sieciowe to ważne elementy sieciowe. Problem z ich pracą może wiązać się z utratą komunikacji z szeregiem podłączonych do nich urządzeń. A często powód problemów jest prosty – brak lub niewłaściwe zasilenie urządzenia. Dlatego PROmesh P10X posiada zintegrowaną kontrolę zasilania. Przy zasilaniu 24V stosowny zakres tolerancji wynosi od -17,5% do +16,5%, który w praktyce zdarza się przekraczać. W przypadku nieprawidłowości, zostaniemy o tym fakcie poinformowani stosownym powiadomieniem.

P10X posiada rozszerzony zakres temperatur pracy od -40 do +75 °C. Przekłada się to na szeroki wachlarz aplikacyjny. Należy oczywiście uważać, gdyż temperatura w danym punkcie instalacji może być za sprawą jakiegoś elementu znacznie wyższa niż w jego niedalekim otoczeniu. Nasz dzisiejszy switch posiada na swoim pokładzie zintegrowany monitoring temperatury urządzenia, który dodatkowo zabezpiecza je podczas użytkowania. A to ogranicza ryzyko termicznego uszkodzenia oraz stwarza możliwość monitorowania i powiadamiania po przekroczeniu nastawionego progu alarmowego.

Konfiguracja TIA Portal

Skoro mamy do czynienia ze switchem zarządzalnym, skoro ten przełącznik wspiera protokół Profinet, to musi być możliwość umieszczenia go w naszej konfiguracji sprzętowej systemu w TIA Potral. Oczywiście produkty Siemens to tylko część rynku rządzeń korzystających z sieci Profinet. Ale nie oszukujmy się, w naszym regionie są to najpopularniejsze, najczęściej stosowane rozwiązania systemów sterowania. W moim przypadku komunikację skonfigurujemy na przykładzie CPU 1215C DC/DC/RLY.

Jak wiadomo do konfiguracji potrzebujemy pliku opisu urządzenia właściwego dla sieci Profinet, czyli pliku GSDML. Pobierzemy go za darmo, bez rejestracji ze strony producenta Indu-Sol w zakładce:

Support -> Downloads -> Software ->PROmesh P10X

Co ciekawe, plik GSDML możemy też pobrać wprost z webserwer-a urządzenia. Wystarczy zalogować się. Domyślnie login to admin i hasło również admin. Z urządzeniem łączymy się oczywiście za pomocą adresu IP. Zatem musimy znać aktualny adres urządzenia i zadbać o właściwą konfigurację naszej karty sieciowej:

Możemy już odpalić TIA Portal i zaimportować nasz plik do biblioteki. Czynność ta przebiega analogicznie jak w przypadku wszystkich plików GSDML. Z menu Options wybieramy opcję Manage general station description files (GSD) i wskazujemy lokalizację pobranego, rozpakowanego z archiwum pliku. Po instalacji plik znajdziemy w bibliotece sprzętowej:

Metodą przeciągnij i upuść umieszczamy nasz przełącznik w konfiguracji projektu. Od razu przypisujemy go do właściwego sterownika, a w zakładce Topology view wskazujemy właściwą topologię połączeń:

Topologia pierścienia w takim zastosowaniu może niektórych z Was dziwić. Niemniej jest to bardzo rozsądne rozwiązanie, zwłaszcza, gdy switch taki jak PROmesh P10X, może znajdować się bezpośrednio na ramie maszyny. Redundantne połączenie ochroni nas, w sytuacji uszkodzenia jednego z przewodów. Do obsługi takiego typu połączeń w sieci Profinet służy Media Redundancy Protocol czyli w skrócie MRP. Aby połączenie redundantne zadziałało, należy ustanowić managera sieci MRP, którym będzie w naszej konfiguracji CPU. Switch będzie Client-em tej sieci:

W sieci Profinet, w konfiguracji topologii pierścienia, należy uwzględnić kwestię czasu cyklu odświeżania danych i powiązaną z nim wartość watchdog-a alarmującego o braku komunikacji. Topologia pierścienia pozwala na osiągnięcie redundancji połączeń. W przypadku niezakłóconej komunikacji transmisja danych odbywa się jedną ze ścieżek. Po przerwaniu połączenia w danym miejscu następuje rekonfiguracja połączeń z urządzeniami, która w sieci do 50 urządzeń Profinet może zająć do 200ms. Przez ten czas nie odczytamy danych z podłączonych urządzeń. W zakładce IO cycle zalecanym jest manualne ustawienie pożądanego czasu trwania interwału odświeżania danych oraz krotność akceptowalnych cykli bez danych. To pozwoli uzyskać odpowiednią wartość watchdog-a zachowaną na poziomie powyżej 200ms. Przypominam, powyższe rozważania i czas 200ms mają jedynie zalecenie w przypadku wykorzystania topologii pierścienia.

Jak widać powyżej, nasz przełącznik domyślnie spełnia wymagania dla MRP. Natomiast pamiętaj, że wymagania te będą musiały spełniać także wszystkie podłączone do tego switch-a urządzenia, ponieważ w sytuacji rekonfiguracji połączeń między CPU a switch-em, one też utracą komunikację!

Z podstawowych czynności konfiguracyjnych zostało jeszcze oczywiście sprawdzenie adresu IP/maski oraz nazwy urządzenia w sieci Profinet. Komunikacja TCP/IP w sieci Profinet wykorzystywana jest wyłącznie w celu nawiązania komunikacji i diagnostyki. Natomiast podstawowym trybem wymiany danych jest Profinet RT (Real Time). Jest to komunikacja cykliczna z interwałem, którego ustawienie poznałeś przed chwilą i które znajduje się w zakładce IO cycle. Nazwa urządzenia w sieci Profinet jest niemal dowolna. Możemy zostawić tą wygenerowana automatycznie w TIA Portal. Niemniej ja staram się nadawać urządzeniom nazwy pozwalające jednoznacznie zidentyfikować je same jak i miejsce ich montażu, posługując się np. oznaczeniem szafy sterowniczej. Na potrzeby poradnika już tego nie robiłem i zostawiłem domyślne.

Pozostało tylko wgrać ustawienia adresacji i nazewnictwa do naszego switch-a. Można to zrobić wgrywając cały projekt do sterownika PLC, lecze lepiej jest to zrobić w pełni świadomie podłączając się bezpośrednio do urządzenia lub przynajmniej upewniając się sprawdzając adres MAC interfejsu.

W pierwszej części artykułu pisałem o powiadomieniach dotyczących różnych zdarzeń monitorowanych przez PROmesh P10X. Powiadomienia te możemy też aktywować z poziomu TIA Portal i zyskujemy dzięki nim nowe możliwości. Standardową diagnostykę połączeń mamy również dostępną jako wbudowaną funkcjonalność w TIA Portal. Natomiast za pomocą funkcji PROmesh P10X sprawdzimy także poziom obciążenia dla danego połączenia. Jeśli PLC i Switch zasilane są z tego samego źródła to switch daje nam możliwość alarmowania, gdy napięcie będzie zbyt niskie lub wysokie. Podobny pogląd na warunki pracy urządzeń może dać nam alarm temperatury. Także możliwości jest dużo. Ważne by umiejętnie je wykorzystać! Ja włączyłem w celach pokazowych monitorowanie połączenia redundantnego i napięcia dla pierwszego wejścia:

Teraz kompilujemy nasz program i wgrywamy do sterownika. Połączenie Online i lampki zarówno na switch-u jak i sterowniku sugerują, że nasza konfiguracja działa poprawnie.

A co z naszymi alarmami? Ich wystąpienia znajdziemy w buforze diagnostycznym sterownika PLC, skąd następnie możemy odpowiednim blokiem funkcyjnym odczytać wprost w programie PLC i wyświetlić choćby na panelu HMI czy w systemie SCADA. I to tyle na dziś.

Podsumowanie

Switch to podstawowy element każdej sieci bazującej na interfejsie Ethernetu. Jego główne zadanie jest bardzo proste – przekazywanie pakietów danych między własnymi portami. Oczywiście jest to umiejętne przekazywanie z analizą nadawcy i odbiorcy. Jednak, jak mam nadzieję udało mi się pokazać w tym artykule, nie wszystkie urządzenia należy mierzyć jedną miarą. Możliwości, funkcjonalność PROmesh-a P10X znacznie wykraczają poza standardowe „obowiązki” przełącznika sieciowego. Idealnie trafia on w potrzeby przemysłowego rynku. Trend rosnących chęci pozyskiwania jak największej ilości danych diagnostycznych i stałego monitoringu sieci utrzymuje się nieustannie. Dobierane przez nas urządzenia i tworzone z nich systemy powinny spełniać oczekiwania klientów w każdym aspekcie. PROmesh P10X to zarządzalny przełącznik sieciowy, w obudowie IP67 i o ogromnych możliwościach diagnostycznych, także wprost z poziomu programu sterowania PLC. Nic więcej nie potrzeba!