Artykuł przedstawia najważniejsze informacje dotyczące wykonania testu akceptacji przed oddaniem sieci PROFINET do użytku oraz diagnostyki działającej już sieci. Wytyczne zostały opracowane w oparciu o zalecenia organizacji PROFIBUS and PROFINET International (PI) oraz materiały firmy SOFTING.
Czym jest PROFINET? Informacje podstawowe
PROFINET to nowoczesna sieć przemysłowa oparta o standard Ethernet. Została opracowana by spełniać wymagania stawiane przez automatykę maszynową i procesową, także z uwzględnieniem funkcji safety. Ze względu na łatwą konfigurację, krótki czas uruchomienia oraz niskie koszty instalacji, PROFINET jest chętnie wykorzystywany w wielu branżach i zastosowaniach. Wysoki standard sieci jest zapewniony przez obligatoryjną certyfikację urządzeń PROFINET.
Audyt sieci Profinet
Na dużą popularność sieci i jej sukces miało wpływ wiele czynników:
- Wysoka skalowalność architektury – możliwe zastosowanie przy komunikacji w obrębie zarówno maszyny jak i całej fabryki,
- Dostęp do urządzeń polowych z poziomu sieci,
- Rozbudowana diagnostyka,
- Rozwiązania serwisowe online,
- Korzystny stosunek ceny do możliwości i dodatkowych funkcji.
Wymiana danych z I/O
PROFINET współpracuje z urządzeniami IO w sposób zbliżony do znanego z PROFIBUS. Każde urządzenie PROFINET, niezależnie od producenta, może zostać zintegrowane w projekcie dzięki imporcie do oprogramowania inżynierskiego pliku GSDML opisującego to urządzenie. Dzięki temu możliwe jest przygotowanie komunikacji pomiędzy urządzeniem IO Controler (np. sterownik PLC) a urządzeniami IO Device (np. rozproszona stacja IO). Sygnały wejściowe i wyjściowe są wymieniane między kontrolerem i IO Device jako dane cykliczne – kontroler ustala czas odświeżania, który może być indywidualny dla każdego urządzenia. Dodatkowe dane diagnostyczne są wymieniane asynchronicznie (jedynie w razie potrzeby). Sieć konfiguruje i parametryzuje się na stacji roboczej PG/PC (IO Supervisor).
Standard
Sieć bazuje na standardzie Ethernet, umożliwia to zastosowanie topologii identycznych jak w sieciach IT: liniowej, drzewa, gwiazdy i pierścienia. W praktyce stosuje się kombinacje powyższych topologii. Dla systemów wymagających dużej niezawodności, możliwe jest zastosowanie redundancji (protokół MRP lub MRPD), przy wykorzystaniu topologii pierścienia. Jeśli jedno z połączeń zostanie uszkodzone, system automatyczne rekonfiguruje się do sieci składającej się z dwóch linii.
PROFINET wykorzystuje 3 kanały komunikacyjne:
- Standard TCP/IP – parametryzacja, nawiązanie połączeń, diagnostyka, wymiana dużych, niecyklicznych pakietów danych (np. transmisja audio/video).
- Real Time (PROFINET RT) – dane cykliczne, transmisja o dużej wydajności. Zastosowanie w typowych rozwiązaniach I/O.
- Izochroniczny Real Time (IRT) – posiada priorytet nad pozostałymi kanałami, przesył danych jest zaplanowany i synchronizowany z zegarem, co umożliwia osiągnięcie czasu cyklu poniżej 1ms i odchyłki poniżej 1µs. Zastosowanie w precyzyjnych układach motion control, np. synchronizowanie osi obrabiarek.
Pliki GSD
Każde certyfikowane urządzenie, przeznaczone do pracy w sieci PROFINET, posiada plik General Station Description, dostarczany przez producenta – zawiera on najważniejsze informacje o urządzeniu/module (numer, typ), danych konfiguracyjnych (np. wejście analogowe), parametrach (np. pętla 4-20mA) oraz informacjach diagnostycznych (np. zwarcie/brak zasilania).
Pliki dla sieci PROFINET przygotowane są w formacie XML (stąd pełna nazwa plików to GSDML). Można je utworzyć w dowolnym edytorze XML, pamiętając o zdefiniowanej składni i zawartości. Struktura pliku jest opisana w ISO 15745.
Konfiguracja sieci – Podstawowe kroki
Tworzenie sieci PROFINET, w najprostszym wykonaniu, polega na parametryzacji IO Controllera oraz rozbudowie sieci o następne urządzenia mu podległe (IO Device), realizując kolejne kroki:
1. Dodanie urządzenia IO Device
- Pobranie plików GSD,
- Montaż i podłączenie urządzenia,
- Import pliku GSD do oprogramowania inżynierskiego.
2. Konfiguracja IO Device
- Dodanie urządzenia do projektu ,
- Parametryzacja modułów,
- Wybranie i nadanie nazwy IO Device.
3. Uruchomienie IO Controllera
- Oprogramowanie odczytu wejść/zapisu wyjść do IO Device,
- Wgranie konfiguracji i programu do sterownika (IO Controller),
- IO Device działa!
Jak widać, proces powstawania i uruchomienia sieci PROFINET można podzielić na kilka podstawowych kroków. O ile wybór urządzeń i ich fizyczny montaż będzie zależał od producenta na którego produktach pracujemy, konfiguracja urządzeń wygląda inaczej w każdym środowisku, tak format plików GSD jest niezmienny, a test akceptacji i uruchomienie będą przebiegały tak samo, niezależnie od urządzeń i sterownika na jakim pracujemy.
W dalszej części artykułu skupię się jedynie na ostatniej części, związanej z konfiguracją sieci – sprawdzającej, czy wszystkie poprzednie kroki zostały wykonane poprawnie. Informację o tym gdzie można znaleźć więcej zaleceń dotyczących parametryzacji urządzeń i fizycznego wykonania sieci zamieszczam na końcu artykułu.
Test akceptacji
Wymogiem dla poprawnego uruchomienia i późniejszego działania sieci jest zastosowanie się do zaleceń organizacji PI. Wszystkie elementy sieci powinny być certyfikowane i zatwierdzone przez producenta do użytku w sieci PROFINET z klasą zgodności CC-A lub wyższą.
Poniższy przykład poprawnego uruchomienia sieci został przeprowadzony przy użyciu oprogramowania dataCHECK Analyzer PRO, umożliwiającego wykonanie testu akceptacji sieci przed oddaniem jej do użytku, jak również szybką diagnostykę sieci komunikacyjnych opartych na sieci ETHERNET. Do pomiarów okablowania PROFINET niezbędne są także:
- Tester okablowania (wykorzystałem NetXpert 1400 IE),
- Cęgowy miernik do pomiaru prądu upływu (dedykowany do badań w sieciach komunikacyjnych i zakłóceń EMC).
1. Pomiary okablowania i ocena wizualna
Informacje wstępne
Podstawowym medium wykorzystywanym przy komunikacji PROFINET jest miedziana, ekranowana skrętka w standardzie Fast Ethernet 100 Mbps full duplex. Zalecane jest używanie miedzianych przewodów kategorii 5. Maksymalna odległość pomiędzy dwoma aktywnymi urządzeniami połączonymi kablem miedzianym nie może przekraczać 100 metrów. Dla przewodów miedzianych zaleca się stosowanie w sieci PROFINET metalowych konektorów (RJ45 i M12, w wersji do montażu w szafie lub mające dodatkowe stopnie ochrony IP). PROFINET uwzględnia również zastosowanie transmisji światłowodowej oraz radiowej.
Certyfikacja przewodów
Wszystkie przewody wykorzystane w sieci PROFINET powinny być certyfikowane i dedykowane do zastosowania w tej sieci – użycie ich pozwala na pominięcie dodatkowych pomiarów i przeprowadzenie jedynie podstawowych testów (m. in. mamy pewność, że przewody będą miały odpowiednio niską impedancję – potwierdza to deklaracja producenta). W przypadku dodatkowych pomiarów, należy je wykonywać zgodnie z ISO / IEC 11801, Cat 5 / Class D.
Ocena wizualna przewodów
W pierwszej kolejności należy sprawdzić, czy przewody zostały położone poprawnie, ze spełnieniem wszystkich zaleceń:
- Każdy kabel jest oznaczony na obu końcach,
- Typ kabla odpowiada założeniom (elastyczny, olejoodporny itp.),
- Kable nie są zniszczone/uszkodzone/”złamane”,
- Zachowano minimalny promień gięcia (ok. 10x średnica),
- Kable PROFINET poprowadzone są z zachowaniem zalecanych odległości w stosunku do kabli innych kategorii,
- Zastosowano zaciski odciążające.
Poprawna ocena stanu przewodów i ich instalacji zgodnie z założeniami projektowymi jest pierwszym punktem testu kwalifikującego.
Test przewodów
Każdy z przewodów powinien zostać przetestowany indywidualnie – należy sprawdzić, czy między żyłami (lub żyłami, a ekranem) nie ma zwarcia, nie została pomylona kolejność żył w konektorach, a ostatecznie – żaden z przewodów nie przekracza dopuszczalnej długości. Pomocne jest również wykonanie mapy połączeń (ang. Wire Map). Tester NetXpert 1400 IE umożliwia wygenerowanie raportu z każdego testu, pozwala to na udokumentowanie stanu technicznego przewodów w momencie sprawdzania. Tester umożliwia pomiar dodatkowych parametrów, takich jak: współczynnik sygnał/szum SNR (Signal-Noise-Ration), określenie zależności czasowych, np. najszybsza para (Skew), wykonanie testu BERT (Bit-Error-Rate-TEST), polegającego na wysyłaniu ramek z prędkością 100Mbit/s 10s bez przerwy.
Przewód zarobiony poprawnie, brak zwarć i przerw.
Pomiar prądów upływu
W sieci PROFINET należy wykorzystywać jedynie przewody ekranowane. Ekran musi być uziemiony na obu końcowych konektorach. Aby zapewnić skuteczność ekranowania, urządzenia PROFINET muszą być uziemione. Organizacja PI zaleca dodatkowo uziemienie ekranu przy wejściu do szafy, przy wykorzystaniu dedykowanych klipsów lub złączy (foto poniżej).
Prawidłowo uziemiony ekran przewodu PROFINET.
W przypadku połączenia dwóch urządzeń o różnych potencjach uziemienia i braku połączeń wyrównujących potencjały, przez ekran kabla PROFINET przepłynie prąd. Jest to zjawisko niepożądane, które może prowadzić do zakłóceń w transmisji, a w najgorszym przypadku do uszkodzenia urządzeń w sieci.
Prąd płynący przez ekran mierzy się za pomocą dedykowanego miernika cęgowego do pomiaru prądów upływu. Przy poprawnie wykonanej instalacji sieci wartość prądu nie powinna przekraczać kilkudziesięciu mA. Pomiary miernikiem cęgowym wykonuje się w czasie działanie sieci. Jeśli w jakimkolwiek przewodzie wartości są znacznie wyższe zaleca się sprawdzenie połączeń wyrównujących potencjały pomiędzy urządzeniami, jak również poprowadzenie kabla PROFINET z dala od innych możliwych źródeł zakłóceń (np. kable silnikowe).
2. Porównanie projektu ze stanem aktualnym
W poniższych testach zostanie wykorzystane oprogramowanie dataCHECK Analyzer PRO. Wszystkie urządzenia podłączone do sieci powinny być zasilone i gotowe do pracy.
Lista stacji online z aktualnym statusem.
Głębokość sieci
Maksymalna zalecana głębokość sieci (liczba przełączników w linii również tych zintegrowanych w urządzeniach IO Device) ma związek z oczekiwanym czasem odświeżania (ang. Update Time) oraz typem użytych switchy . Poniższe tabele przedstawiają te zależności.
Możliwe jest zastosowanie w jednej sieci dwóch rodzajów switchy. W tym wypadku znaczenie mają zalecenia dotyczące przełączników „store-and-forward”. Ponadto, ze względu na diagnostykę i dostęp do sieci, zaleca się stosowanie jedynie switchy zarządzalnych.
Podane w tabeli liczby są wartościami maksymalnymi. Zaleca się jednak zaplanowanie sieci tak, aby w linii znajdywało się do 45 urządzeń, co ułatwia diagnostykę oraz umożliwia zastosowanie w przyszłości protokołów MRP/MRPD (redundancji).
Graficzne przedstawienie topologii – głębokość sieci (line depth): 2.
Konifugracja urządzeń
W kolejnym punkcie należy sprawdzić, czy wszystkie urządzenia zostały poprawnie skonfigurowane i podłączone do sieci. W programie dataCHCECK Analyzer PRO najłatwiej tego dokonać otwierając zakładkę „Inventory”, sprawdzić poniższą check-listę i porównać stan sieci z założeniami projektowymi:
- Czy zostały znalezione wszystkie urządzenia w sieci i ich liczba się zgadza?
- Czy w podsieci znajdują się inne urządzenia? Czy powinny się tam znajdować?
- Czy znaleziono w sieci nieskonfigurowane, nienazwane urządzenia?
- Czy wykryto w sieci urządzenia wymagające diagnostyki/w stanie awarii?
- Czy wszystkie urządzenia posiadają taką samą maskę podsieci i poprawny adres bramki?
Wszystkie urządzenia posiadają taką samą maskę podsieci i zostały skonfigurowane poprawnie.
Nazwy urządzeń
Urządzenia w sieci PROFINET są rozpoznawane po unikalnej nazwie. Należy sprawdzić, czy nazwy urządzeń są poprawne i zgodne z nazwami zdefiniowanymi w projekcie.
Wersja oprogramowania i plików GSDML
Każde urządzenie powinno posiadać aktualny firmware. W programie Analyzer PRO istnieje możliwość utworzenia whitelisty oraz automatycznego porównywania najnowszej wersji oprogramowania z odczytywanym bezpośrednio z urządzeń. W przypadku niezastosowania tego rozwiązania należy upewnić się, że wszystkie urządzenia tego samego typu mają identyczną, w miarę możliwości, najnowszą wersję oprogramowania.
Obciążenie sieci
Pomiar obciążenia powinien być wykonywany w najważniejszych i najbardziej obciążonych punktach sieci, np. połączenie CPU ze switchem. Obciążenie sieci można odczytać przy pomocy oprogramowania Analyzer PRO, (zakładka „Network statistics”) jako stosunek prędkości transmisji do maksymalnej wartości 100MBps lub przy użyciu funkcji diagnostycznych niektórych switchy zarządzalnych.
Najbardziej podatna na przeciążenie jest topologia liniowa.
Należy udokumentować największą zmierzoną wartość obciążenia i porównać ją z zaleceniami zamieszczonymi w tabeli.
Najbardziej obciążony jest port modułu ET200S.
Topologia i statystyki sieci
Najważniejsze informacje dotyczące połączeń i topologii są dostępne w zakładce „Topology” w formie listy. Podobnie jak przy określaniu liczby urządzeń i IP, najłatwiej posłużyć się check-listą:
- Czy wygenerowana w programie topologia odpowiada zaplanowanej i wgranej do sterownika?
- Czy wszystkie urządzenia posiadają informację o topologii i swoich „sąsiadach”?
- Czy urządzenia są podpięte do odpowiednich portów?
- Czy (jeśli zakładano) prawidłowo została skonfigurowana redundancja (MRP)?
- Czy spełnione są kryteria dotyczące czasu cyklu, uwzględniające głębokość sieci?
- Czy wszystkie urządzenia pracują w trybie full duplex i została wynegocjowana transmisja 100MBps?
- Czy obciążenie żadnego z portów nie przekracza 50%?
Wszystkie urządzenia posiadają wynegocjowaną prędkość 100MBps i full duplex.
Diagnostyka i statystyki błędów
PROFINET posiada bardzo rozbudowany system diagnostyki, umożliwiający lokalne i zdalne wykrywanie błędów. Każde zgłoszenie o awarii zawiera informacje o zgłaszającym urządzeniu, a w rozbudowanych urządzeniach także o module i konkretnym kanale, na którym np. wystąpiło zwarcie. Większość aktywnych urządzeń PROFINET ma wbudowany web serwer, umożliwiający diagnostykę. Możliwe jest także wykorzystanie oprogramowania zbierającego informacje ze wszystkich urządzeń pracujących w sieci lub wyświetlenie tych danych na odpowiednio skonfigurowanym panelu HMI.
Jeśli wszystkie powyższe punkty składające się na test akceptacji zostały zrealizowane i sieć została skonfigurowana poprawnie, należy sprawdzić, czy żadne z urządzeń nie zgłasza błędów lub jeśli zgłaszało takie w przeszłości, to czy problemy zostały zidentyfikowane i rozwiązane. Informacje diagnostyczne znajdują się w zakładce „Diagnostics”.
Statystyki błędów (zakładka „Error statistics”) pozwala na wykrycie urządzenia najbardziej awaryjnego oraz w największym stopniu odpowiadającego za zakłócenia komunikacji i utratę pakietów danych.
Używając oprogramowania Analyzer PRO mamy także możliwość sprawdzenia trendów i statusów działania urządzeń w ciągu ostatniej godziny, dnia, tygodnia lub miesiąca.
Największą ilość pakietów „zgubił” jeden z modułów WLAN.
Moduły IO zgłaszają awarię – wymagana diagnostyka.
3. Nasłuchiwanie ruchu w sieci
W celu dodatkowego przeanalizowania ruchu w sieci można wykorzystać urządzenie typu TAP (Test Access Point) lub port lustrzany (ang. Mirror Port) w switchu zarządzalnym. Dzięki „podsłuchiwaniu” możemy wyznaczyć:
- Jitter – maksymalna procentowa wartość odchylenia czasu między cyklem odświeżania danych w sieci PROFINET (np. jeśli normalny cykl odświeżania to 2ms, a przy dużym obciążeniu sieci pewien cykl zostanie wykonany w czasie 4ms, to jitter = 2ms, 100%),
- Współczynnik obciążenia sieci (load ratio) – liczba pakietów PROFINET (real time) przypadających na jeden pakiet TCP/IP (non real time), zalecana wartość: ≥ 100
Prawidłowy sposób wpięcia ProfiSharka w sieć – urządzenie jest „przeźroczyste”.
Fragment raportu – Jitter i Load ratio mieszczą się w zalecanych limitach
Fragment raportu – Mniej niż 1 ramka PROFINET przypada na 1 ramkę non-real time, Jitter prawie 100%.
Analiza ramek
Darmowe oprogramowanie WireShark umożliwia również analizę przesyłanych ramek, ale w postaci „surowej”. Możliwe jest przefiltrowanie pakietów i poddanie analizie np. cykl odświeżania danych, bądź diagnostykę alarmów.
Wszystkie ramki odbierane i wysyłane przez CPU.
„Surowa” zawartość jednej z ramek , dotycząca wykrycia zwarcia w module ET200SP.
4. Test wydajności sieci i dokumentacja
Po spełnieniu powyższych wymagań, sieć PROFINET powinna być testowana przez 24 godziny w warunkach normalnej pracy. Wykorzystując oprogramowanie Analyzer PRO możemy po tym czasie przygotować raport z akceptacją sieci.
Dokumentacja sieci PROFINET powinna zawierać protokoły potwierdzające wykonane badania, pomiary oraz załącznik przedstawiający aktualny stan sieci – dokument ten może zostać wygenerowany automatycznie w programie Analyzer PRO.
Dla zainteresowanych
Zapraszam Was do zapoznania się z poniższymi stronami. Znajdziecie tam wiele informacji dotyczących sieci PROFIBUS i PROFINET, ich projektowania, wykonania, uruchomienia oraz diagnostyki. Wszystkie poradniki i artykuły są w bardzo przystępnej formie, nawet dla niewtajemniczonych osób.
https://us.profinet.com/technology/profinet/
https://us.profinet.com/resources/profiblog/
https://www.profibus.com/download/installation-guide/
https://www.profibus.com/download/test-and-certification/
https://profinetuniversity.com/
http://www.profibus.org.pl/ [PL]
 Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka w edycji Grudzień 2018 Nagrodę Kurtka softshell 4F od firmy Finder + gadżety firmowe dostarcza firma Finder Więcej o konkursie: https://iautomatyka.pl/konkurs-iautomatyka/ |
