Profinet (por lo general con el estilo como PROFINET , como un baúl de viaje de Pro ceso Fi campo neto ) es una industria estándar técnico para la comunicación de datos a través de Industrial Ethernet , diseñado para recoger datos de, y control de equipos en sistemas industriales , con una fuerza particular en la entrega de los datos en virtud de estrictas limitaciones de tiempo. El estándar es mantenido y respaldado por Profibus & Profinet International , una organización paraguas con sede en Karlsruhe, Alemania .
Protocolo de comunicación | |
Propósito | Ethernet en tiempo real para automatización industrial |
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Desarrollador (es) | PROFIBUS y PROFINET Internacional |
Introducido | 2003 |
Residencia en | Ethernet , Profibus |
Capa OSI | Capa de aplicación |
RFC (s) | IEC 61784-2, IEC 61158 |
Funcionalidades
Descripción general
Profinet implementa la interfaz a los periféricos . [1] [2] Define la comunicación con los dispositivos periféricos conectados en campo. Su base es un concepto en cascada en tiempo real. Profinet define todo el intercambio de datos entre los controladores (llamados "IO-Controllers") y los dispositivos (llamados "IO-Devices"), así como el ajuste de parámetros y el diagnóstico. Los controladores IO suelen ser un PLC , DCS o IPC ; mientras que los IO-Devices pueden variar: bloques de E / S, variadores, sensores o actuadores. El protocolo Profinet está diseñado para el intercambio rápido de datos entre dispositivos de campo basados en Ethernet y sigue el modelo proveedor-consumidor. [1] Los dispositivos de campo en una línea Profibus subordinada se pueden integrar en el sistema Profinet sin problemas a través de un IO-Proxy (representativo de un sistema de bus subordinado).
Clases de conformidad (CC)
Las aplicaciones con Profinet se pueden dividir según la norma internacional IEC 61784-2 en cuatro clases de conformidad:
- En la clase de conformidad A (CC-A) , solo los dispositivos están certificados. Un certificado de fabricante es suficiente para la infraestructura de red. Por este motivo , también se puede utilizar cableado estructurado o una red de área local inalámbrica para abonados móviles. Las aplicaciones típicas se pueden encontrar en infraestructura (por ejemplo, túneles de autopistas o ferrocarriles) o en la automatización de edificios .
- La clase de conformidad B (CC-B) estipula que la infraestructura de red también incluye productos certificados y está estructurada de acuerdo con las directrices de Profinet. Los cables blindados aumentan la solidez y los conmutadores con funciones de gestión facilitan el diagnóstico de la red y permiten capturar la topología de la red según se desee para controlar una línea de producción o una máquina. La automatización de procesos requiere una mayor disponibilidad, que se puede lograr mediante la redundancia de medios y sistemas . Para que un dispositivo se adhiera a la clase de conformidad B, debe comunicarse correctamente a través de Profinet, tener dos puertos (conmutador integrado) y admitir SNMP .
- Con la clase de conformidad C (CC-C) , los sistemas de posicionamiento se pueden implementar con reserva de ancho de banda adicional y sincronización de aplicaciones. Los dispositivos de clase C de conformidad se comunican adicionalmente a través de Profinet IRT.
- Para la clase de conformidad D (CC-D) , Profinet se utiliza a través de redes sensibles al tiempo (TSN). Se pueden lograr las mismas funciones que con CC-C. A diferencia de CC-A y CC-B, la comunicación completa (cíclica y acíclica) entre el controlador y el dispositivo tiene lugar en la capa 2 de Ethernet. La interfaz de servicio remoto (RSI) se introdujo para este propósito.
Funcionalidades de las clases de conformidad de Profinet | |||||||||||||||||||||||||
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Tipos de dispositivos
Un sistema Profinet consta de los siguientes dispositivos: [1] : 3
- El IO-Controller , que controla la tarea de automatización.
- El IO-Device , que es un dispositivo de campo, supervisado y controlado por un IO-Controller. Un IO-Device puede constar de varios módulos y submódulos.
- El IO-Supervisor es un software que normalmente se basa en una PC para configurar parámetros y diagnosticar dispositivos IO individuales.
Estructura del sistema
Un Profinet IO-System mínimo consta de al menos un IO-Controller que controla uno o más IO-Devices. Además, uno o más IO-Supervisors pueden opcionalmente activarse temporalmente para la ingeniería de los IO-Devices si es necesario.
Si dos IO-Systems están en la misma red IP, los IO-Controllers también pueden compartir una señal de entrada como entrada compartida, en la que tienen acceso de lectura al mismo submódulo en un IO-Device. [1] : 3 [2] Esto simplifica la combinación de un PLC con un controlador de seguridad o control de movimiento independiente . Asimismo, se puede compartir un IO-Device completo como un dispositivo compartido, [1] : 11 en el que los submódulos individuales de un IO-Device se asignan a diferentes IO-Controllers.
Cada dispositivo de automatización con una interfaz Ethernet puede cumplir simultáneamente la funcionalidad de un controlador IO y un dispositivo IO. Si un controlador para un controlador asociado actúa como un IO-Device y simultáneamente controla su periferia como un IO-Controller, las tareas entre controladores se pueden coordinar sin dispositivos adicionales.
Relaciones
Se establece una relación de aplicación (AR) entre un controlador IO y un dispositivo IO. Estos AR se utilizan para definir Relaciones de Comunicación (CR) con diferentes características para la transferencia de parámetros, intercambio cíclico de datos y manejo de alarmas. [1] : 4
Ingenieria
La ingeniería del proyecto [1] : 5 [2] de un sistema IO es casi idéntica a la del Profibus en términos de "apariencia":
- El fabricante del dispositivo describe las propiedades de un dispositivo IO en un archivo GSD (Descripción general de la estación). El lenguaje utilizado para esto es GSDML (GSD Markup Language), un lenguaje basado en XML . El archivo GSD sirve a un entorno de ingeniería como base para planificar la configuración de un sistema Profinet IO.
- Todos los dispositivos de campo de Profinet determinan sus vecinos. [1] : 8 Esto significa que los dispositivos de campo se pueden cambiar en caso de avería sin herramientas adicionales ni conocimientos previos. Al leer esta información, la topología de la planta se puede mostrar gráficamente para mayor claridad.
- La ingeniería puede apoyarse en herramientas como PROFINET Commander [3] o PRONETA. [4]
Confianza
Profinet también se utiliza cada vez más en aplicaciones críticas. Siempre existe el riesgo de que no se puedan cumplir las funciones requeridas. Este riesgo puede reducirse mediante medidas específicas identificadas mediante análisis de confiabilidad [5] . Los siguientes objetivos están en primer plano:
- Seguridad: Garantizar la seguridad funcional. El sistema debe entrar en un estado seguro en caso de falla .
- Disponibilidad: aumentando la disponibilidad. En el caso de una falla, el sistema aún debería poder realizar la función mínima requerida.
- Seguridad: la seguridad de la información es garantizar la integridad del sistema.
Estos objetivos pueden interferir o complementarse entre sí.
Seguridad funcional: Profisafe
Profisafe [6] define cómo los dispositivos relacionados con la seguridad ( botones de parada de emergencia , rejas fotoeléctricas, dispositivos de prevención de sobrellenado, ...) se comunican con los controladores de seguridad a través de Profinet de una manera tan segura que se pueden utilizar en tareas de automatización relacionadas con la seguridad hasta Safety Integrity Level 3 (SIL) según IEC 61508 , Performance Level "e" (PL) según ISO 13849 , o Categoría 4 según EN 954-1.
Profisafe implementa una comunicación segura a través de un perfil, [7] es decir, a través de un formato especial de los datos del usuario y un protocolo especial. Está diseñado como una capa separada sobre la capa de aplicación de bus de campo para reducir la probabilidad de errores de transmisión de datos. Los mensajes Profisafe utilizan cables y mensajes de bus de campo estándar. No dependen de los mecanismos de detección de errores de los canales de transmisión subyacentes y, por lo tanto, admiten la protección de todas las rutas de comunicación, incluidas las placas posteriores dentro de los controladores o E / S remotas . El protocolo Profisafe utiliza mecanismos de detección de errores y fallas como:
- Numeración consecutiva
- Supervisión del tiempo de espera
- Autenticación de origen / destino
- Comprobación de redundancia cíclica (CRC)
y se define en la norma IEC 61784-3-3.
Mayor disponibilidad
La alta disponibilidad [8] es uno de los requisitos más importantes en la automatización industrial, tanto en la automatización de fábricas como de procesos. La disponibilidad de un sistema de automatización se puede aumentar agregando redundancia para elementos críticos. Se puede hacer una distinción entre redundancia del sistema y de los medios.
Redundancia del sistema
La redundancia del sistema también se puede implementar con Profinet para aumentar la disponibilidad . En este caso, se configuran dos IO-Controllers que controlan el mismo IO-Device. El controlador IO activo marca sus datos de salida como primarios. Los datos de salida que no están marcados son ignorados por un IO-Device en un IO-System redundante. En caso de error, el segundo controlador IO puede tomar el control de todos los dispositivos IO sin interrupción marcando sus datos de salida como primarios. La forma en que los dos IO-Controllers sincronizan sus tareas no está definida en Profinet y es implementada de manera diferente por los distintos fabricantes que ofrecen sistemas de control redundantes.
Redundancia de medios
Profinet ofrece dos soluciones de redundancia de medios. El Media Redundancy Protocol (MRP) permite la creación de una topología de anillo independiente del protocolo con un tiempo de conmutación de menos de 50 ms. Esto suele ser suficiente para la comunicación estándar en tiempo real con Profinet. Para conmutar la redundancia en caso de error sin demora, la "Redundancia de medios para duplicación planificada" (MRPD) debe utilizarse como un concepto de redundancia de medios sin interrupciones. En el MRPD, los datos cíclicos en tiempo real se transmiten en ambas direcciones en la topología en forma de anillo. Una marca de tiempo en el paquete de datos permite al receptor eliminar los duplicados redundantes.
Seguridad
El concepto de seguridad de TI [9] para Profinet asume un enfoque de defensa en profundidad [10] . En este enfoque, la planta de producción está protegida contra ataques, particularmente desde el exterior, mediante un perímetro de varios niveles, incluidos los firewalls. Además, es posible una mayor protección dentro de la planta dividiéndola en zonas mediante cortafuegos . Además, una prueba de componentes de seguridad garantiza que los componentes de Profinet sean resistentes a sobrecargas en un grado definido. [11] Este concepto está respaldado por medidas organizativas en la planta de producción en el marco de un sistema de gestión de seguridad según ISO 27001 .
Perfiles de aplicación
Para una interacción fluida de los dispositivos involucrados en una solución de automatización, deben corresponder en sus funciones y servicios básicos. La estandarización se logra mediante "perfiles" [12] con especificaciones vinculantes para funciones y servicios. Las posibles funciones de comunicación con Profinet están restringidas y se prescriben especificaciones adicionales con respecto a la función del dispositivo de campo. Pueden ser propiedades de clase de dispositivo cruzado, como un comportamiento relevante para la seguridad (perfiles de aplicación común) o propiedades específicas de clase de dispositivo (perfiles de aplicación específicos). [13] Se hace una distinción entre
- Perfiles de dispositivos para, por ejemplo, robots, accionamientos (PROFIdrive), dispositivos de proceso, codificadores, bombas
- Perfiles industriales para, por ejemplo, tecnología de laboratorio o vehículos ferroviarios
- Perfiles de integración para la integración de subsistemas como los sistemas IO-Link
Drives
PROFIdrive [14] es el perfil de dispositivo modular para dispositivos de accionamiento . Fue desarrollado conjuntamente por fabricantes y usuarios en la década de 1990 y desde entonces, en conjunto con Profibus y, a partir de la versión 4.0, también con Profinet, ha cubierto toda la gama desde las soluciones de accionamiento más sencillas hasta las más exigentes.
Energía
Otro perfil es PROFIenergy que incluye servicios para el seguimiento en tiempo real de la demanda energética. Esto fue solicitado en 2009 por el grupo AIDA de fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Mercedes-Benz , Porsche y Volkswagen ) que deseaban tener una forma estandarizada de gestionar activamente el uso de energía en sus plantas. Los dispositivos y subsistemas de alta energía como robots, láseres e incluso líneas de pintura son el objetivo de este perfil, que ayudará a reducir los costos de energía de una planta al cambiar de manera inteligente los dispositivos a modos de 'suspensión' para tener en cuenta las pausas de producción, ambas previstas (por ejemplo, fines de semana y cierres) e imprevistos (por ejemplo, averías).
Automatización de procesos
Los dispositivos de proceso modernos tienen su propia inteligencia y pueden hacerse cargo de parte del procesamiento de la información o de la funcionalidad general en los sistemas de automatización. Para la integración en un sistema Profinet, [15] [16] se requiere una Ethernet de dos cables además de una mayor disponibilidad.
Dispositivos de proceso
El perfil Dispositivos PA [17] define para diferentes clases de dispositivos de proceso todas las funciones y parámetros que se utilizan normalmente en los dispositivos de proceso para el flujo de señales desde la señal del sensor del proceso hasta el valor de proceso preprocesado, que se lee en el sistema de control. junto con un estado de valor medido. El perfil de dispositivos PA contiene hojas de datos de dispositivos para
- Presión y presión diferencial
- Nivel, temperatura y caudal
- Entradas y salidas analógicas y digitales
- Válvulas y actuadores
- Equipo de análisis
Capa física avanzada
La capa física avanzada de Ethernet (Ethernet-APL) [18] describe una capa física para la tecnología de comunicación Ethernet que está especialmente desarrollada para los requisitos de las industrias de procesos. El desarrollo de Ethernet-APL fue determinado por la necesidad de comunicación a altas velocidades y a largas distancias, el suministro de energía y señales de comunicación a través de un cable común de par trenzado (2 hilos), así como las medidas de protección para un uso seguro. dentro de áreas con peligro de explosión. Ethernet APL abre la posibilidad de incorporar Profinet en instrumentos de proceso.
Tecnología
Protocolos profinet
Profinet utiliza los siguientes protocolos en las diferentes capas [2] : 15 del modelo OSI :
Capa OSI | Profinet | |||||
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7a | Solicitud | Servicios y protocolos de la capa de aplicación de bus de campo (FAL) | OPC UA | |||
7b | RSI | vacío | vacío | RPC | - | |
6 | Presentación | - | ||||
5 | Sesión | |||||
4 | Transporte | UDP | TCP | |||
3 | La red | IP | ||||
2 | Enlace de datos | TSN | CSMA / CD | |||
1 | Físico | Ethernet |
Capas 1-2: Se recomiendan principalmente dúplex completo con 100 MBit / s eléctricos ( 100BASE-TX ) u ópticos ( 100BASE-FX ) de acuerdo con IEEE 802.3 [19] como conexiones de dispositivos. El autocrossover es obligatorio para todas las conexiones para evitar el uso de cables cruzados . A partir de IEEE 802.1Q se utiliza la VLAN con etiquetado de prioridad. Por tanto, todos los datos en tiempo real reciben la máxima prioridad 6 posible y, por tanto, se envían mediante un conmutador con un retardo mínimo.
El protocolo Profinet se puede registrar y visualizar con cualquier herramienta de análisis de Ethernet. Wireshark es capaz de decodificar telegramas Profinet.
El Link Layer Discovery Protocol (LLDP) se ha ampliado con parámetros adicionales, para que además de la detección de vecinos, se pueda comunicar el tiempo de propagación de las señales en las líneas de conexión.
Capas 3-6: Se utiliza el protocolo de interfaz de servicio remoto (RSI) o el protocolo de llamada a procedimiento remoto (RPC) para la configuración de la conexión y los servicios acíclicos. El protocolo RPC se utiliza a través del Protocolo de datagramas de usuario (UDP) y el Protocolo de Internet (IP) con el uso de direcciones IP . El Protocolo de resolución de direcciones (ARP) se amplía para este propósito con la detección de direcciones IP duplicadas. El protocolo de descubrimiento y configuración básica (DCP) es obligatorio para la asignación de direcciones IP. Opcionalmente, el Protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) también se puede utilizar para este propósito. No se utilizan direcciones IP con el protocolo RSI. Por tanto, el protocolo de Internet se puede utilizar en el sistema operativo del dispositivo de campo para otros protocolos como OPC Unified Architecture (UPC UA).
Capa 7: Se definen varios protocolos [1] para acceder a los servicios de la capa de aplicación Fieldbus (FAL). El protocolo RT (Real-Time) para aplicaciones de clase A y B con tiempos de ciclo en el rango de 1 a 10 ms. El protocolo IRT (Isochronous Real-Time) para la clase de aplicación C permite tiempos de ciclo inferiores a 1 ms para aplicaciones de tecnología de accionamiento. Esto también se puede lograr con los mismos servicios a través de redes sensibles al tiempo (TSN).
Tecnología de clases de conformidad
Las funcionalidades de Profinet IO se realizan con diferentes tecnologías y protocolos:
Tecnología y protocolos de las clases de conformidad de Profinet | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Tecnología de Clase A (CC-A)
La función básica del Profinet es el intercambio cíclico de datos entre el IO-Controller como productor y varios IO-Devices como consumidores de los datos de salida y los IO-Devices como productores y el IO-Controller como consumidor de los datos de entrada. [1] Cada relación de comunicación CR de datos IO entre el controlador IO y un dispositivo IO define el número de datos y los tiempos de ciclo.
Todos los IO-Devices de Profinet deben soportar el diagnóstico del dispositivo y la transmisión segura de alarmas a través de la relación de comunicación para alarmas Alarm CR .
Además, los parámetros del dispositivo se pueden leer y escribir con cada dispositivo Profinet a través de la relación de comunicación acíclica Record Data CR . El conjunto de datos para la identificación única de un IO-Device, el conjunto de datos de identificación y mantenimiento 0 (I&M 0), debe ser instalado por todos los IO-Devices de Profinet. Opcionalmente, se puede almacenar más información en un formato estandarizado como I&M 1-4.
Para datos en tiempo real (datos cíclicos y alarmas), los telegramas Profinet Real-Time (RT) se transmiten directamente a través de Ethernet. UDP / IP se utiliza para la transmisión de datos acíclicos.
Gestión de las Relaciones con la Aplicación (AR)
La relación de aplicación (AR) se establece entre un controlador IO y cada dispositivo IO que se va a controlar. Dentro de los AR se definen los CR requeridos. El ciclo de vida de Profinet AR consiste en la resolución de direcciones, el establecimiento de la conexión, la parametrización, el intercambio de datos de E / S de proceso / manejo de alarmas y la terminación.
- Resolución de dirección: un dispositivo IO Profinet se identifica en la red Profinet por el nombre de su estación. [nota 1] El establecimiento de la conexión, la parametrización y el manejo de alarmas se implementan con el Protocolo de datagramas de usuario (UDP), que requiere que al dispositivo también se le asigne una dirección IP . Después de identificar el dispositivo por su nombre de estación, el IO-Controller asigna la dirección IP preconfigurada al dispositivo.
- Establecimiento de la conexión: El establecimiento de la conexión comienza con el IO-Controller enviando una solicitud de conexión al IO-Device. La solicitud de conexión establece una relación de aplicación (AR) que contiene una serie de relaciones de comunicación (CR) entre el controlador IO y el dispositivo IO. [2] Además de los AR y CR, la solicitud de conexión especifica la configuración modular del IO-Device, el diseño de las tramas de datos de IO de proceso, la velocidad cíclica del intercambio de datos de IO y el perro guardián . El reconocimiento de la solicitud de conexión por parte del IO-Device permite la parametrización a continuación. Desde este punto en adelante, tanto el IO-Device como el IO-Controller comienzan a intercambiar tramas de datos de E / S de proceso cíclico. Las tramas de datos de E / S del proceso no contienen datos válidos en este punto, pero comienzan a servir como mantenimiento para evitar que el perro guardián expire.
- Parametrización: el IO-Controller escribe datos de parametrización en cada submódulo IO-Device de acuerdo con el archivo General Station Description Mark-up Language (GSDML). Una vez configurados todos los submódulos, el IO-Controller indica que la parametrización ha finalizado. El IO-Device responde indicando la disponibilidad de la aplicación, lo que permite que se produzca el intercambio de datos de IO del proceso y el manejo de alarmas. [2]
- Proceso IO manejo intercambio de datos / alarma: El IO-Device seguido por el IO-Controller comienzan a cíclicamente refrescar proceso válido de E / S de datos. El IO-Controller procesa las entradas y controla las salidas del IO-Device. [2] Las notificaciones de alarma se intercambian de forma acíclica entre el controlador IO y el dispositivo IO a medida que ocurren eventos y fallas. [1]
- Terminación: La conexión entre el dispositivo IO y el controlador IO termina cuando expira el perro guardián. [2] La expiración del Watchdog es el resultado de una falla al actualizar los datos de E / S del proceso cíclico por parte del IO-Controller o del IO-Device. [1] A menos que la conexión se haya terminado intencionalmente en el controlador IO, el controlador IO intentará reiniciar la relación de aplicación Profinet.
Tecnología de Clase B (CC-B)
Además de las funciones básicas de Clase A, los dispositivos de Clase B deben admitir funcionalidades adicionales. [1] Estas funcionalidades apoyan principalmente la puesta en marcha, el funcionamiento y el mantenimiento de un sistema Profinet IO y están destinadas a aumentar la disponibilidad del sistema Profinet IO.
El soporte de diagnósticos de red con el Protocolo simple de administración de redes (SNMP) es obligatorio. Asimismo, el Protocolo de descubrimiento de capa de enlace (LLDP) para la detección de vecindad, incluidas las extensiones para Profinet, debe ser compatible con todos los dispositivos de Clase B. Esto también incluye la recopilación y provisión de estadísticas relacionadas con el puerto Ethernet para el mantenimiento de la red. Con estos mecanismos, la topología de una red Profinet IO se puede leer en cualquier momento y se puede monitorear el estado de las conexiones individuales. Si se conoce la topología de la red, el direccionamiento automático de los nodos puede activarse por su posición en la topología. Esto simplifica considerablemente la sustitución del dispositivo durante el mantenimiento, ya que no es necesario realizar más ajustes.
La alta disponibilidad del sistema IO es particularmente importante para aplicaciones en la automatización de procesos y la ingeniería de procesos. Por esta razón, se han definido procedimientos especiales para dispositivos Clase B con las relaciones y protocolos existentes. Esto permite la redundancia del sistema con dos controladores IO que acceden a los mismos dispositivos IO simultáneamente. Además, existe un procedimiento prescrito de reconfiguración dinámica (DR), cómo se puede cambiar la configuración de un IO-Device con la ayuda de estas relaciones redundantes sin perder el control sobre el IO-Device.
Tecnología de Clase C (CC-C)
Para las funcionalidades de la clase de conformidad C (CC-C) se utiliza principalmente el protocolo Isochronous Real-Time [1] (IRT).
Con la reserva de ancho de banda , una parte del ancho de banda de transmisión disponible de 100 MBit / s se reserva exclusivamente para tareas en tiempo real. Se utiliza un procedimiento similar al método de multiplexación en el tiempo . El ancho de banda se divide en tiempos de ciclo fijos, que a su vez se dividen en fases. La fase roja está reservada exclusivamente para datos en tiempo real de clase C , en la fase naranja se transmiten los mensajes críticos en el tiempo y en la fase verde los demás mensajes Ethernet se transmiten de forma transparente. Para garantizar que el máximo de telegramas Ethernet se pueda seguir transmitiendo de forma transparente, la fase verde debe tener una longitud de al menos 125 μs. Por tanto, no son posibles tiempos de ciclo inferiores a 250 μs en combinación con Ethernet inalterada.
Para lograr tiempos de ciclo más cortos hasta 31,25 μs, los telegramas Ethernet de la fase verde se dividen opcionalmente en fragmentos. Estos pequeños fragmentos ahora se transmiten a través de la fase verde. Este mecanismo de fragmentación es transparente para los demás participantes en Ethernet y, por lo tanto, no es reconocible.
Para implementar estos ciclos de bus para la reserva de ancho de banda, se requiere una sincronización de reloj precisa de todos los dispositivos participantes, incluidos los conmutadores, con una desviación máxima de 1 μs. Esta sincronización de reloj se implementa con el Precision Time Protocol (PTP) de acuerdo con el estándar IEEE 1588-2008 (1588 V2) . Por tanto, todos los dispositivos implicados en la reserva de ancho de banda deben estar en el mismo dominio de tiempo.
Para aplicaciones de control de posición para varios ejes o para procesos de posicionamiento según el perfil de accionamiento PROFIdrive [14] de las clases de aplicación 4 - 6, no solo la comunicación debe ser oportuna, sino que las acciones de los distintos accionamientos en un Profinet también deben estar coordinadas y sincronizadas . La sincronización del reloj del programa de aplicación con el ciclo del bus permite implementar funciones de control que se ejecutan sincrónicamente en dispositivos distribuidos.
Si varios dispositivos Profinet están conectados en una línea (en cadena ), es posible optimizar aún más el intercambio de datos cíclicos con Dynamic Frame Packing (DFP). Para este propósito, el controlador coloca todos los datos de salida para todos los dispositivos en un solo marco IRT. En la trama IRT que pasa, cada dispositivo extrae los datos destinados al dispositivo, es decir, la trama IRT se vuelve cada vez más corta. Para los datos de los diferentes dispositivos al controlador, el marco IRT se ensambla dinámicamente. La gran eficiencia del DFP radica en el hecho de que el marco IRT es siempre tan extenso como sea necesario y que los datos del controlador a los dispositivos se pueden transmitir en dúplex completo simultáneamente con los datos de los dispositivos al controlador.
Tecnología de Clase D (CC-D)
La Clase D ofrece al usuario los mismos servicios que la Clase C, con la diferencia de que estos servicios se prestan utilizando los mecanismos de Redes Sensibles al Tiempo (TSN) definidos por IEEE.
La Interfaz de servicio remoto (RSI) se utiliza como reemplazo del conjunto de protocolos de Internet . Por tanto, esta clase de aplicación D se implementa independientemente de las direcciones IP . La pila de protocolos será más pequeña e independiente de futuras versiones de Internet ( IPv6 ).
El TSN no es una definición de protocolo consistente e independiente, sino una colección de diferentes protocolos con diferentes características que se pueden combinar casi arbitrariamente para cada aplicación. Para su uso en la automatización industrial , se compila un subconjunto en la norma IEC / IEEE 60802 "Perfil de junta TSN para automatización industrial". Se utiliza un subconjunto en la versión 2.4 de la especificación Profinet para implementar la clase D. [20]
En esta especificación, se hace una distinción entre dos aplicaciones:
- Intercambio de datos cíclico isócrono con tiempo de latencia corto y limitado (tiempo real cíclico isócrono) para aplicaciones en Motion Control y tecnología de control distribuido
- Intercambio cíclico de datos con tiempo de latencia limitado (Cyclic Real Time) para tareas generales de automatización
Para el intercambio de datos isócrono, los relojes de los participantes deben estar sincronizados. Para ello, las especificaciones del Precision Time Protocol según IEC 61588 para la sincronización horaria con TSN [21] se adaptan en consecuencia.
Los telegramas se organizan en colas de acuerdo con las prioridades proporcionadas en la etiqueta VLAN . La talladora Time-Aware (TAS) [22] ahora especifica un pulso de reloj con la que las colas individuales se procesan en un interruptor. Esto conduce a un procedimiento de intervalo de tiempo en el que los datos cíclicos isócronos se transmiten con la máxima prioridad, los datos cíclicos con la segunda prioridad antes de todos los datos acíclicos. Esto reduce el tiempo de latencia y también la fluctuación de los datos cíclicos. Si un telegrama de datos con prioridad baja dura demasiado, puede ser interrumpido por un telegrama de datos cíclicos con prioridad alta y transmitirse posteriormente. Este procedimiento se denomina Prevención de tramas [23] y es obligatorio para CC-D.
Implementación de la interfaz Profinet
Para la realización [24] de una interfaz Profinet como controlador o dispositivo, no se requieren requisitos de hardware adicionales para Profinet (CC-A y CC-B) que no puedan cumplirse con una interfaz Ethernet común ( 100BASE-TX o 100BASE-FX ) . Para habilitar una topología de línea más simple, se recomienda la instalación de un conmutador con 2 puertos en un dispositivo.
Para la realización de dispositivos clase C (CC-C) se requiere una extensión del hardware con sincronización horaria con el Precision Time Protocol (PTP) y las funcionalidades de reserva de ancho de banda. Para los dispositivos de clase D (CC-D), el hardware debe admitir las funcionalidades requeridas de redes sensibles al tiempo (TSN) de acuerdo con los estándares IEEE.
El método de implementación [25] depende del diseño y rendimiento del dispositivo y de las cantidades esperadas. Las alternativas son
- Desarrollo interno [26] o con un proveedor de servicios
- Uso de bloques de construcción prefabricados o diseño individual.
- Ejecución en ASIC de diseño fijo , reconfigurable en tecnología FPGA , como módulo plug-in o como componente software.
Historia
En la reunión general de la organización de usuarios de Profibus en 2000, tuvieron lugar las primeras discusiones concretas sobre un sucesor de Profibus basado en Ethernet . Solo un año después, se publicó y presentó la primera especificación de Automatización basada en componentes (CBA) en la Feria de Hannover. En 2002, Profinet CBA pasó a formar parte de la norma internacional IEC 61158 / IEC 61784-1 .
Un sistema Profinet CBA [27] consta de diferentes componentes de automatización. Un componente comprende todas las variables mecánicas, eléctricas y de tecnología de la información. Es posible que el componente se haya creado con las herramientas de programación habituales. Para describir un componente, se crea un archivo de descripción de componentes Profinet (PCD) en XML . Una herramienta de planificación carga estas descripciones y permite crear las conexiones lógicas entre los componentes individuales para implementar una planta.
La idea básica detrás de Profinet CBA era que, en muchos casos, es posible dividir un sistema de automatización completo en subsistemas de funcionamiento autónomo y, por lo tanto, gestionables. La estructura y la funcionalidad se pueden encontrar en varias plantas en forma idéntica o ligeramente modificada. Los denominados componentes Profinet normalmente se controlan mediante un número manejable de señales de entrada. Dentro del componente, un programa de control escrito por el usuario ejecuta la funcionalidad requerida y envía las señales de salida correspondientes a otro controlador. La comunicación de un sistema basado en componentes se planifica en lugar de programarse. La comunicación con Profinet CBA era adecuada para tiempos de ciclo de bus de aprox. 50 a 100 ms.
Los sistemas individuales muestran cómo estos conceptos se pueden implementar con éxito en la aplicación. Sin embargo, Profinet CBA no encuentra la aceptación esperada en el mercado y ya no se incluirá en la norma IEC 61784-1 a partir de la 4a edición de 2014.
En 2003 se publicó la primera especificación de Profinet IO (IO = Input Output). La interfaz de aplicación de Profibus DP (DP = Periferia descentralizada), que tuvo éxito en el mercado, fue adoptada y complementada con los protocolos actuales de Internet. Al año siguiente, sigue la ampliación con transmisión isócrona, lo que hace que Profinet IO sea adecuado para aplicaciones de control de movimiento. Profisafe está adaptado para que también se pueda utilizar a través de Profinet. Con la clara apuesta de AIDA [28] por Profinet en 2004, se da la aceptación en el mercado. En 2006, Profinet IO pasa a formar parte de la norma internacional IEC 61158 / IEC 61784-2 .
En 2007, según el recuento neutro, ya se han instalado 1 millón de dispositivos Profinet, al año siguiente esta cifra se duplica a 2 millones. Para 2019, se informa de un total de 26 millones [29] de dispositivos vendidos por los distintos fabricantes.
En 2019, la especificación para Profinet se completó con redes sensibles al tiempo (TSN), [30] introduciendo así la clase de conformidad CC-D.
Otras lecturas
- Powell, James; Vandelinde, Henry. Captura del bus de campo de proceso: Introducción a Profibus y Profinet . PI North America, descarga gratis.
- Popp, Manfred (2015). Comunicación industrial con PROFINET . PROFIBUS Nutzerorganisation eV (PNO). No de pedido: 4.182.
- Xiu, Ji (12 de julio de 2019). PROFINET en la práctica: Instalación, Mantenimiento, Diseño e Ingeniería de Sistemas . Publicado de forma independiente. ISBN 978-1-07707-721-8.
- Pigan, Raimond; Metter, Mark (3 de diciembre de 2008). Automatización con PROFINET: comunicación industrial basada en Ethernet industrial . Publicis. ISBN 978-3-89578-294-7.
Notas
- ^ El nombre de la estación es una descripción alfanumérica configurable por el usuario de hasta 240 caracteres
Referencias
- ^ a b c d e f g h yo j k l m n "Descripción del sistema PROFINET" . PROFIBUS Nutzerorganisation eV Octubre de 2014. Número de pedido 4.132.
- ^ a b c d e f g h Manfred Popp. Comunicación industrial con PROFINET . PROFIBUS Nutzerorganisation eV (PNO). No de pedido: 4.182.
- ^ "PROFINET Commander - Tome el mando de su red PROFINET" . profinetcommander.com . Consultado el 14 de abril de 2020 .
- ^ "PRONETA - Portafolio PROFINET - Sitio web global de Siemens" . Consultado el 14 de abril de 2020 .
- ^ Kirrmann, H. (2005). Computación tolerante a fallas en automatización industrial (PDF)
- ^ "Descripción del sistema PROFIsafe" . Documentación . Profinet International. 2016 . Consultado el 1 de abril de 2020 .
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enlaces externos
- PROFIBUS y PROFINET International (PI)
- Página de tecnología PROFINET
- PROFIBUS Internacional
- Portal web PROFIsafe
- Universidad PROFINET
- Wireshark PROFINET Wiki
- p-net: una pila de dispositivos PROFINET de código abierto