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P. Ferrari, PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia ©2008 CSMT Gestione 1

PROFINET per safety e integrazione di sistemi

Paolo FerrariDipartimento di Elettronica per l’Automazione, Università di Brescia,

Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy)Tel: +39-030-3715445 fax: +39-030-380014

e-mail: [email protected]

PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia

PROFINET IO: il bus di campo ethernet come risposta ai

problemi di safety e integrazione tra sistemi

http://www.csmt.it



PROFILAB: PROFIBUS & PROFINET Competence Center ItalyCSMT Gestione Scarl è centro di competenza PROFIBUS e PROFINETPROFILAB è il Laboratorio PROFIBUS di CSMT Gestione ScarlL’attività di ricerca di PROFILAB è gestita dal Dipartimento di Elettronica

per l’Automazione dell’Università di Brescia

PROFILAB

CSMT GestionePCC Italy

DEA – Universityof Brescia

Great Britain

Netherlands

Sweden

Germany

France

USA

Belgium

Austria

China

PolandSwitzerland

Japan

S.-E.-AsiaRPA

S. Africa

Italy

Great Britain

Netherlands

Sweden

Germany

France

USA

Belgium

Austria

China

PolandSwitzerland

Japan

S.-E.-AsiaRPA

S. AfricaS. Africa

Italy

http://www.csmt.it/profibus_profinet



RTE: normativaNuova norma IEC 61784-2 “Additional profiles for ISO/IEC 8802-3 basedcommunication networks in real-time applications”Viene integrata la IEC 61784-1 con i nuovi bus di campo su EthernetVerranno aggiunti:

• CPF 2 (ControlNet) – Ethernet/IP (CP 2/3, CP 2/4, CP 2/5)• CPF 3 (PROFIBUS, PROFINET) - (CP 3/4, CP 3/6, CP 3/6)• CPF 4 (P-NET) – (CP 4/3)• CPF 6 (INTERBUS) – (CP 6/4)• CPF 10 (VNET/IP) - (CP 10/1)• CPF 11 (TCnet) - (CP 11/1) • CPF 12 (EtherCAT) – (CP 12/1) • CPF 13 (Ethernet Powerlink) - (CP 13/1) • CPF 14 (EPA) - (CP 14/1) • CPF 15 (MODBUS-RTPS) - (CP 15/1) • CPF 16 (SERCOS) - (CP 16/3)



Applicazioni in tempo reale

Applicazioni per misure, regolazioni… Sensore

Applicazione

Sensore Attuatore

Regolatori numerici:1. frequenza camp. fc=1/Tc << frequenze fs del sistema da regolare

(se il sistema è lento -fs~1Hz- non è un problema)2. tempo di camp. Tc rigorosamente costante (basso jitter ∆Tc/Tc < 0.1%)3. ritardo Td (latenza) tra acquisizione dell’ingresso e generazione

dell’uscita piccolo e costante

Td = Tcom.(richiesta) + Tsensore + Tcom.(lettura) + Tapplicazione + Tcom.(scrittura) + Tattuatore

∆t

∆xMisure {x, t}i : riferibilità temporale1. accuratezza/risoluzione nel tempo e nella misura2. possibilità di acquisizione simultanea



DETERMINISMOCapacità di servire una richiesta in un tempo limitato e noto a priori(massima latenza nota)

ISOCRONIACaratteristica di comportamento strettamente ripetitivo nel tempo(basso jitter)

Applicazioni in tempo reale: parole chiave

SERVIZI DI SINCRONIZZAZIONESincronizzazione della comunicazione (TDMA)

Sincronizzazione dell’I/O (global read, global write)

Sincronizzazione delle applicazioni



PROFINET IO



Perché scegliere PROFINET?Dove e quali sono i vantaggi?

PROFINET manterrà ciò che promette?

Quali sono le differenze con le altre tecnologie?

Attenzione alle campagne di disinformazione !



Ethernet è un sistema che trasmette i dati in modo standardEthernet non è di per se stessa un protocollo

Mettere un bus di campo esistente su Ethernet è una delle cose più semplici da fare (qualcuno ancora lo fa)

Ma PROFINET non lo fa perché non è efficiente e non si introducono vantaggi rispetto ai bus di campo esistenti

Il modo migliore è avvantaggiarsi di Ethernet standard e migliorarla

Il modo in cui ciò è fatto differenzia le varie soluzioni RTE

PROFINET non è PROFIBUS su EthernetPROFINET non è PROFIBUS su Ethernet



PROFINET, come molti concorrenti, è completamente compatibile con la IEEE802.3 Ethernet StandardDi più, può addirittura convivere con i sistemi concorrentiPermette ci collegarsi facilmente a sistemi ITTrasmette contemporaneamente dati Real-Time e TCP/IP

PROFINET è Ethernet standardPROFINET è Ethernet standard

E’ gestito da PI, organizzazione internazionale di cui fanno parte 1400 compagnie32 Competence Center, 7 laboratori di test, 50 working group, la più grande rete mondiale per assicurare piena interoperabilità

PROFINET è uno standard apertoPROFINET è uno standard aperto



Ethernet è definita nello standard ufficiale IEEE 802.3, per i solilivelli 1 e 2 dello stack ISO. Ethernet è stata progettata per l’utilizzo negli ambienti officeEthernet è usata dai livelli superiori, ai livelli 3 e 4 per esempio possiamo trovare TCP/IP e UDP/IPTCP e UDP sono standard “de facto” ma non sono parte della IEEE802.3. Non devono per forza essere usati se si usa EthernetTCP è stato progettato per gli ambienti office, dove tempi di risposta di 200-300 ms sono tollerabili.Al crescere del traffico aumenta il jitter introdotto dagli switch. Le reti vanno configurate e mantenute “blindate” per garantire un minimo di prestazioni

PROFINET bypassa TCP solo per il Real-TimePROFINET bypassa TCP solo per il Real-Time



Una mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessitàdegli utilizzatori

Comunicazione Real-Time scalabile fino all’isocrono Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizionie tutto su un cavo solo

Automazione di fabbrica

Applicazioni alMotion ControlComunicazione

standard

IT Services, TCP/IP<1ms10ms100ms

Real-Time: IRT

La comunicazione in PROFINET



Uso di standard IT ben notiGestione della rete (DHCP)Diagnosi di rete (SNMP)Accesso remoto tramite WEB (HTTP)

Komponente: Spülen

PROFINET: integrazione con il mondo IT



PROFINET IO: tipi di dispositivi contemplatiPROFINET IO-Controller:

Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnatiDispositivo che contiene il programma applicativo

PROFINET IO-Device: Dispositivo di campo collegata all’IO-Controller

PROFINET IO-Supervisor: HMI e diagnostica della stazione



Ethernet

es. PLCIO-Controller

ConfigurazioneDati di processoAllarmi

ConfigurazioneDati di processoAllarmi

Diagnostica

Up/Download

Diagnostica

Up/Download

Lettura e scrittura I/OLettura e scrittura I/O

Il programma applicativo accede ai

dati di processo tramite l’immagine del PLC

Il programma applicativo accede ai

dati di processo tramite l’immagine del PLC

Field DeviceIO-Device

Commissioning,diagnostica

Commissioning,diagnostica

Programmazione dei dispositiviPC:PROFINET Supervisor

PROFINET IO: relazioni tra i dispositivi

DiagnosticaStatus/ControlParametrizzazione

DiagnosticaStatus/ControlParametrizzazione



PROFINET IO: modello dei dispositiviIl modello dei dispositivi PROFINET IO è comparabile a quelladi PROFIBUS Si definiscono slot, sottoslot e canali. Descrizione contenutanei file di descrizione scritto in XML (il file è chiamato GSD)

I moduli di I/O sono gli stessi di PROFIBUS:Protezione degli investimentiSemplificazione gestione

Ogni sottomodulo ha: IO-data, Diagnosis-data, Data blocks, Alarms



PROFINET IO: implementazionePeriferica decentrata:

Cambia l’interfaccia sul busI moduli possono essere riutilizzati

Configurazione/programmazione: Rimane identica a prima

Protezione degli investimenti

PROFIBUS

PROFINET

PROFINET

GSD



Slot 0

Bus-Interface

Slot 1

Sub slot 3 Sub slot 4

Sub slot 2Sub slot 1

Slot 2

Sub slot 1

Slot 3

Sub slot 4

Sub slot 6

PROFINET IO: modello di un IO-DevicePeriferia IO-Periphery esistente e Interfaccia bus PROFINET = PROFINET-DeviceL’ IO-Data è sempre assegnata ad un sub-slot.Ogni sub-slot può avere dati di IO e allarmi



IO-Device1 IO-Device2

IO-Controller

IO-Device3

1 2

IO-Device1 IO-Device2

IO-Controller

PROFINET IO: diagnostica di rete

Lo switch passa la diagnostica PROFINET dall’IO-Device al ControllerLo Switch è configurato come IO-Device (GSD)Switch segnale eventuali malfunzionamenti della rete come diagnostica PROFINET direttamente all’IO-Controller (1)E’ disponibile anche un canale SNMP per le Standard-Information (2)



PROFINET

PROFIBUS

Proxy

INTERBUS

Proxy

PROFINET IO: integrazione con i bus di campo (Proxy)Attualmente è possibile collegare PROFIBUS e INTERBUSIntegrazione trasparente senza la necessità di programmare



IO-Controller

Tool di configurazionedel proxy

GSDTool di configurazionedel controller

Qualunquelinguaggio

di descrizione

2

6

5 4

3

7

1

Scambio dati conun qualunque bus di campo

Connect:Combinazione di I/OWrite:Parametri utente

PROFINET IO: L’obiettivo è il proxy universaleConcetto di Proxy universale e customizzabile



PROFINET IO estende la sua integrazioneIntegrazione con moltissimi altri bus di campo Ancora una volta protezione degli investimenti !



PROFINET IO per l’automazione di processoScambio dati a tutti i livelli della fabbrica

PROFIBUS DPPROFIBUS DP

PROFINET PROXYPROFINET PROXY

PROFINET

ERPMESEthernetbackbone

DCS

HART

PROFIBUS PA

…

123

4

56

7 816

…

123

4

56

7 816

…

123

4

56

7 816

FF H1



PROFINET: il numero di prodotti continua a salire



1 m

3 m

3 m

PROFINET nodes

4 m

Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010

1.14 m1.14 m

La situazione di PROFINET alla fine del 2007

NB: Contati solo i dispositivi,non gli switch



1 m

2 m

3 m

PROFINET nodes

4 m

Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010

1.14 m1.14 m

La crescita del mercato Ethernet secondo ARC

Secondo lo studio fatto da ARC Advisory Group, ci sarà un aumento annuale del 27.5% nel mercato dei dispositivi basati su nei prossimi 5 anni.

Secondo lo studio fatto da ARC Advisory Group, ci sarà un aumento annuale del 27.5% nel mercato dei dispositivi basati su nei prossimi 5 anni.



Average annual increase of 37%

3 m

1 m

2 m

3 m

4 m

Time2001 2004 2005 20062002 2003 2007 2008 2009 2010

PROFINET nodes

1.14 m

Previsioni di crescita di PROFINET fino al 2010



PROFINET/PROFIBUS nodes 4 m

TimeYear 1 Year 2 Year 3 Year 4 Year 5 Year 6 Year 7 Year 8 Year 9

1 m

2 m

3 m

Confronto PROFINET e PROFIBUS



PROFINETComunicazione RT e IRT



Lane for IRT RTRT

TCP/IP TCP/IP

TCP/IP TCP/IPTCP/IP

TCP/IP

TCP/IP

RTRT

RTRT TC

P/IP

Traffic Jam

RTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRT

PROFINET IO: incremento delle prestazioni dello stackObiettivo: creare una “corsia” riservata per il traffico Real Time

Garantire prestazioni Real-time indipendenti dal traffico (Network load)Permettere un accesso alla rete trasparente (TCP/IP, IT, ….)



PROFINET IO: Real-Time Ethernet in modo isocrono

I dati isocroni usano un canale separato nel tempo.E’ ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP.Sincronizzazione tramite protocollo “PTCP”

Cycle 1 Cycle 2 Cycle n

IRT channel

Openchannel(TCP/IP)

IRT channel

Openchannel(TCP/IP)

E.g. 1 ms position control cycle

TCP/IP dataIRT data

Deterministic communication Open communicationSynchro-nization



2 RT

1

2

1

1

2R

eal-

tim

e3RT IRT

Real-time

Real-time switch ASIC

3

2

1

Real-time channel IRTTrasferimento hi-performanceDati isocroniJitter <1µsec

Canale TCP/IP standardParametrizzazione dispositiviDati diagnosticiInizializzazione collegamentiNegoziazione del canale di comunicazione

Canale Real-time RTTrasferimento hi-performanceDati cicliciTrasferimento su evento

Ethernet

TCP/ UDP

PROFINET applicationsIT appli-cationse.g.

HTTPSNMPDHCP... Standard data Real-time data

IP

PROFINET IO: Lo stack di comunicazioneDoppio canale per i dati



t

Non RTERTE Cl.1

100 msec

10 msec

0.25...1.0 msec

15% 100%

RTE Cl.2

t

Non RTE

100 msec

10 msec

0.25...1.0 msec

15% 15% 100%100%

TCP, DCOM, IP, HTTP…Real time

(RT_Class 1)Real time isocrono

(RT_Class 2/3)

PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali



Personale Impianti Ambiente

PROFIsafe



PROFIsafe: Perché serve la sicurezza…

Solfato d’ammonioNitrato d’ammonio Alterazione del processo di produzioneNo sicurezza

=Esplosione di 2 kilotoniTetti scoperchiati per 25kmMorti e feriti



La situazione attuale nel campo della sicurezza funzionale

La sicurezza funzionale (safety) è ottenuta per mezzo di bus proprietariL’integrazione con il sistema principale è lunga e costosa (tempi sviluppo)Molte volte I/O non sicuri operano sul campo da proteggere

Bus proprietariodedicato alla safety

Livello con I/O Safety

DP Master Standard I/O(DP Slave)

PROFIBUS DP



Technologia Affermata

Azionamento Frequencyconverter

andcontrol

Alimentazione

Motore

PROFIBUS

PLC

InterruttorePrincipio del „deenergize to trip" I

Situazione attuale nella sicurezza funzionale di azionamenti

Interrompo l’alimentazione al motore



Profili per applicazioni generali: PROFIsafe

Caratteristiche principali di PROFIsafeFunzioni standard e di sicurezza su un unico cavo: un solosistema di sviluppo = riduzioni costiCertificato SIL 3, AK6 e CAT 4 nella EN954-1Basato su IEC 61508 e IEC 61511

Dispositivo failsafeAzionam.

PLC con funzione fail-safe

I/OStandard

I/OFail-safe

Componente fail-safe

Componente standard

Sicurezza per mezzo di software aggiuntivo in ogni componete



ProtocolStandard

Applicazione Standard,

e.g. diagnostica

Applicazionesicura

LivelloPROFIsafe

“Black Channel"

(Industrial Ethernet) PROFINET IO, PROFIBUS-DP, Backplane

LivelloPROFIsafe

Applicazione Standard,

e.g. diagnostica

Applicazionesicura

ProtocolStandard

LivelloPROFIsafe

PROFIsafe: Come funziona



FAI

Device

FDI

FDO

PA Device

Remote I/O

Local busRS485

F-Host

DP-PALink

IOController

PN IO PROFINET IO transmissionMBP-IS Data transmission for explosion-proof areasRS485 High speed data transmissionF-DI Fail-safe digital inputF-DO Fail-safe digital outputF-AI Fail-safe analog inputPA Device Device according process automation device model (IEC 61804)

PN IO/DPLink

FDevice

Actuator

MBP-ISPROFINET IO

Intrinsic Safety(Ex-i)

Oppure con RS485-ISEs. per valvole ESD ad alta velocità

PA Device modelacc. IEC 61804:- Physical Block- Function Block(s)- Transducer Block

PROFIsafe: Sicurezza funzionale su tutto il percorso



PROFIsafe: Tipologie di errore e rimedi

Numerazione consecutiva, nomi in codiceWatchdogCRC

Tipo di errore:Rimedio: (Virtual)

ConsecutiveNumber

Time Outwith Receipt

Codename forSender and

Receiver

Data Consistency

Check

Repetizioni

Eliminazioni

Inserzioni

Ripetizioni sequenze

Corruzione dati

Ritardo

Messaggi normalisimili al fail-safe

Problemi negliswitch



S S S S

Messaggio standard PROFIBUS o PROFINET IO

F Input/Output Data Status /Control Byte CRC2

acrossF data

andF parameter

and Vconsnr_h

Max. 12 / 123 Bytes 1 Byte 3/4 Bytes *) *) 3 Bytes per un massimo di12 Byte F I/O data4 Byte for a max. of123 Bytes F I/O data

PROFIsafe Container = dati “sicuri”

PROFIsafe: Il messaggio dati



L’associazione dei costruttori tedeschi di automobili

AIDAAIDAha scelto

PROFINET IO assieme PROFIsafecome Standard preferenziale

Specifiche PROFIsafe (protocollo V1 e V2)V2.0 rilasciato a Settembre 2005; new: V2.4 (Wireless, iPar,..)Approvato da BGIA e TÜV Standard Internazionale: norma IEC 61784-3-3 (FDIS)PROFIsafe-Starterkit 3.3 disponibile da Gennaio 2006

Nuova versione pilota per il SW azionamenti (supporto di iPar)PROFIsafe profile tester (modalità V1 e V2) disponibilePROFIsafe F-Host tester (progetto consortium *)) disponibileLinee guida per l‘installazione: IEC 61784-5-3 e IEC 61918Nuovo: Environment Guidelines V2.5 (Sicurezza)Nuovo: Specifiche Test & Certification V2.1 (BGIA)

*) Bosch, Hima, Phoenix, Siemens, Wago

PROFIsafe su PROFINET IO



ControlloAzionamento

ControlloAzionamento Controllo

azionamentoControllo

azionamento

MotorMotor

Dispositivo di sicurezza

esterno


esterno

Funzionalitàper la

sicurezza

Funzionalitàper la

sicurezza

MotorMotor

PROFINET IOoPROFIBUS DP

„Spegnimento di Emergenza“

Dallo all‘ „Arrestod‘emergenza“

e oltre ...

NFPA 79


esterno


esterno

PROFIsafe pioniere dell’innovazione



Funzionalità di arresto:STO: Safe Torque Off (Stop Category 0 secondo IEC 60204-1)SS1: Arresto Controllato (Stop Category 1 secondo IEC 60204-1)SOS: Arresto Operativo Sicuro (funzioni di controllo attive)SS2: Arresto Controllato (Stop Category 2 secondo IEC 60204-1)

Controllo sicuro di:SLA: Accelerazione ControllataSLS: Velocità ControllataSLT: Coppia / Forza ControllataSLP: Posizione (Assoluta) ControllataSLI: Spostamento (Massimo) ControllatoSDI: Direzione SicuraSMT: Controllo della temperatura motore

Qualora le funzionalità di monitoraggio dovessero fallire, intervengono le funzionalità di arresto

PROFIsafe: funzioni di sicurezza (IEC 61800-5-2)



100% carico

75%50%25%

Velocità

s

Tempo di arresto al variare della velocità e del carico (Stop category 0)

250 mm/s

mm/s

Tem

po d

i arr

esto

Aree di protezione differenziate

Secondo ISO 10218: "Robots for IndustrialEnvironment – Safety Requirements", Parte 1 Robot

PROFIsafe: rallentare prima di fermarsi…



Portale di ingresso:applicazione tradizionale



Muting-Sensor

PROFIsafe: portale di ingresso



Portale „Igresso/Uscita“ScannerLaser

Pattino

Posizione del pattino

Riferimento posizione del motore

„Posizione di sicurezza del motore“ invece dei segnali „muting sensor“

Muting sensors

PROFIsafe: portale di ingresso



Esempio di applicazione di"Safely Limited Speed"

Catena di montaggio in aree pericolose senza arresto della produzioneLa max velocità del carrello trasportatore è monitorataOttenendo un tremendo risparmio in termini di costo e tempo!

"Robot che collaborano…"PROFIsafe: robot che collaborano



Dorsale PROFINET IO oppure dorsale Ethernet Industriale

AutomatedGuided

Vehicle (AGV)

Accesso a reti installate su parti mobili o rotanti

Installazione e diagnostica

„Mobile“

AccessPoint

AccessPoint

Access Point

Client Client

Dorsale PROFINET IO /Eth. ind

PROFIsafe: sicurezza funzionale su PROFINET IO wireless

PROFINET IOPROFINET IO



Dorsale Industrial Ethernet

PROFIBUS DP

Security Gate Security Gate

PROFINET IOPROFINET IO

InternetPC in produzionecon SW VPN Client

PC di serviziocon SW VPN Client

Firewall

PROFIBUS DP

Isola PROFIsafe Isola PROFIsafe

Zona Sicura Zona SicuraSSSS

Firewall

VPN

VPN

VPN

Internet

VPN

PROFIsafe: security PROFINET IO

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