V1.04 – b34
PROFINET IO
Complementi
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1
V1.04 – b34
Ridondanza in
PROFINET IO
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2
V1.04 – b34
PROFINET IO: Ridondanza
¾ La ridondanza in PROFINET viene usata per aumentare la
disponibilità dell’impianto
¾ La struttura per realizzare la ridondanza in PROFINET è l’anello (ring)
¾ Con la struttura ad anello,
ogni dispositivo può essere
raggiunto con due percorsi differenti
¾ L’anello può essere agevolmente creato a partire da una topologia
lineare semplicemente aggiungendo un link
¾ Nelle reti Ethernet però non è sufficiente aggiungere il link, bisogna
anche introdurre la figura del “redundancy manager” (RM) che si
assicura che frame multicast non ricircolino all’infinito
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3
V1.04 – b34
PROFINET IO: Rilevazione dei percorsi e gestione errori
¾ In Ethernet (802.1D) esiste un protocollo standard per la rilevazione
dei percorsi multipli e la gestione del traffico nel caso degli errori
¾ Questo protocollo è l’RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol). Il tempo
di commutazione tra un percorso e quello alternativo in caso di errori
dipende dal numero di stazioni.
¾ Con RSTP il tempo di commutazione può arrivare ad alcune centinaia
di millisecondi. Un tempo spesso troppo alto per l’automazione
¾ In PROFINET è possibile utilizzare anche il protocollo MRP (Media
Redundancy Protocol) descritto nella IEC61158 e nelal IEC62439
¾ RSTP e MRP sono incompatibili tra loro!
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4
V1.04 – b34
PROFINET IO: Redundancy manager
¾ Il compito del Redundancy Manager è quello di controllare quali sono
i percorsi disponibili e prevenire la circolazione infinita di messaggi
nella rete
¾ Una stazione nell’anello deve essere definita come redundancy
manager (anche chiamato ring master) prima di avviare la ridondanza
¾ L’RM testa la rete con dei frame speciali per verificare quali sono i
percorsi disponibili
S
¾ Normalmente le due porte dell’RM
sono una in “forwarding mode” e
l’altra in “blocked mode”.
Se l’anello si interrompe, le porte
RM
vengono messe tutte e due in
forwarding mode
¾ L’RM botifica i partecipanti all’anello del cambio di topologia
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D
5
V1.04 – b34
PROFINET IO: funzionamento MRP (Media Redunndancy Protocol)
¾ PROFINET per default usa l’MRP
¾ Il tempo massimo per il switchover è 200 ms
Managed Switch
Sorgente
¾ Attraverso LLDP ogni stazione
conosce se i suoi vicini supportano
la ridondanza e se è attivata
Porte
ridondate
Stazione 2
¾ I dati di processo viaggiano
solo sul path selezionato dal RM
Station 1
Process Data
Stazione 3
Stazione 8
Stazione 7
Test Frame
¾ I test frame hanno il
tipo Ethernet 0x88E3
Stazione 4
Redundnacy
manager
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Stazione 6
Stazione 5
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Destinazione
6
V1.04 – b34
PROFINET IO: MRRT (Media Redundancy for RT frames)
¾ L’MRRT serve per gestire i frame PROFINET real-time di tipo
RT_Class 1 e RT_Class 2.
¾ I dati di processo vengono
inviati lungo entrambi i percorsi
¾ La stazione di destinazione usa
solo il frame che arriva prima
Sorgente
Porte
ridondate
Stazione 2
Station 1
Process Data
Stazione 3
¾ Il RM controlla lo stato dell’anello
inviando i test frame e notifica lo
stato di anello chiuso o aperto
Stazione 8
Stazione 7
Test Frame
Stazione 4
Comparison
old/new data
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Managed Switch
Stazione 6
Stazione 5
Destinazione
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7
V1.04 – b34
PROFINET IO: MRPD (Media Redundancy for Planned Duplication)
¾MRPD è la base per ottenere una ridondanza con tempo di switching
pari a zero nel caso di sistemi con traffico RT_Class 3 (IRT)
¾Si basa sul fatto che il traffico di classe 3 è pianificato in anticipo.
Sorgente
¾In questo caso vengono sempre
Porte
ridondate
Station 1
spediti due frame nelle due direzioni
possibili, seguendo due piani di
scheduling diversi
Stazione 2
Stazione 8
Process Data
¾Alla stazione di destinazione arrivano
due frame se tutto va bene oppure uno
solo se un percorso è interrotto
Stazione 3
Stazione 7
¾I frame non possono ricircolare perché
seguono il piano di scheduling
Stazione 4
Stazione 6
¾MRPD richiede MRP per la gestione
dei frame di comunicazione relativi
Stazione 5
al traffico non schedulato (fase verde)
Destinazione
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8
V1.04 – b34
PROFINET IO: Ridondanza a livello di sistema
¾ Basta ridondare la connessione logica (AR)
¾ La rete può essere realizzata in modo arbitrario
• Collegamenti multipli alla stessa rete
• Rete ridondata (es. due reti separate)
Host /Controller Link
non è parte
PNIOdelle specifiche
Controller
PROFINET
PNIOController
PROFINET IO
network
2 connessioni logiche
PNIO-Device
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9
V1.04 – b34
PROFINET IO: Ridondanza a livello di sistema
¾ NAP: Network Access Point
• NAP S1: NAP singolo con una AR per ogni relazione System-Redundancy (1 totali)
• NAP S2: NAP singolo con due AR per ogni relazione System-Redundancy (2 totali)
• NAP R1: NAP ridondato con una AR per ogni relazione System-Redundancy (2 totali)
• NAP R2: NAP ridondato con due AR per ogni relazione System-Redundancy (4 totali)
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10
V1.04 – b34
PROFINET IO: Ulteriori dettagli
¾ AR in dettaglio
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11
V1.04 – b34
PROFINET IO: Ridondanza e CiR
¾ La logica CiR è utile per i sistemi ridondati
¾ Configuro un IO-Controller mentre lavoro con l’altro
¾ Il meccanismo è uguale a prima solo che le due AR sono verso due
IO-Controller diversi
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12
V1.04 – b34
Nuove architetture con
PROFINET IO
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13
V1.04 – b34
PROFINET IO: “Shared device”
¾ Due o più controller possono gestire lo stesso device
• Ogni controller gestisce un gruppo di ingressi e uscite
• Non è necessario che siano fisicamente raggruppati
IO-Controller 1
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IO-Controller 2
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14
V1.04 – b34
PROFINET IO: Dettagli sullo “Shared device”
¾ E’ una logica estensione di quanto visto per la ridondanza
• Ogni controller configura una AR differente
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15
V1.04 – b34
PROFINET IO: Funzionamento di LLDP
¾ Ogni dispositivo è connesso ai suoi vicini. LLDP tiene costantemente
aggiornato il database locale con i nomi dei vicini
neighborhood 5
neighborhood 2
P-1
neighborhood 4
P-1
P-2
P-2
Computer-1
P-1 Switch-1
Laptop-3
P-1 Switch-2
P-3
P-3
neighborhood 1
P-1
P-1
Laptop-1
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neighborhood 3
Laptop-2
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16
V1.04 – b34
PROFINET IO: Funzionamento di LLDP
¾ Le informazioni sono raccolte in un database centrale utilizzando
SNMP e i MiB dedicati
Accesso ai
dati con SNMP
Protocollo LLDP
tra i nodi di rete
Top.
Info
Top.
Info
Data in
topologyinfo MIB
Top.
Info
Controller
Top.
Info
Top.
Info
IO Device
IO Device
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Top.
Info
IO Device
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17
V1.04 – b34
PROFINET IO
Engineering
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18
V1.04 – b34
PROFINET IO: tool di configurazione
¾ Processa i file GSD e mantiene un catalogo dei dispositivi che
devono essere configurati sul bus
¾ Permette di specificare il nome e l’indirizzo dei dispositivi
PROFINET
¾ Permette di specificare i dati di input e di output che devono
essere trasferiti tra Controller e Device
¾ Permette di selezionare i parametri che attivano modi operativi
specifici o caratteristiche dei dispositivi
¾ Controllo e comando di variabili online
¾ Genera il file di database che verrà utilizzato dal Controller
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V1.04 – b34
PROFINET IO: progettazione rete
¾ Modello di engineering identico per PROFIBUS e PROFINET
GSD (XML)
GSD
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20
V1.04 – b34
PROFINET IO: progettazione rete
¾ Ogni dispositivo Ethernet ha la stessa priorità nella rete
¾ Le periferiche decentrate sono assegnate ad un controller
durante la fase di configurazione della
¾ La descrizione del dispositivo è data attraverso un GSD-file
GSD
1
Configurazione
con un
Engineering-Tool
Controller
2
22
Caricamento GSD e
configurazione della rete
con un tool di Engineering
Configurazione device e
download nel Controller
33
Scambio dati automatico tra
Controller e Device decentralizzati
11
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Ethernet
3
Decentral Field Device
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21
V1.04 – b34
PROFINET IO: Assegnamento indirizzi con DCP
Gerätename
wird
IlGerätename
èè associato
wird einer
einer
Il nome
nome del
del device
device
associato al
al
MAC-Adresse
MAC-Address
MAC-Adresse
zugeordnet
MAC-Addresszugeordnet
11
192.168.0.2 08-00-06-68-80-C0 IM151-3 Pult2
Configurazione
Configurazione Offline
Offline
ƒƒ
Ogni
Ogni device
device riceve
riceve un
un
nome
nome (es.
(es. Pult2)
Pult2)
ƒƒ
II tool
tool di
di configurazione
configurazione
assegnano
assegnano
automaticamente
automaticamente un
un
indirizzo
indirizzo IP
IP
IO-Controller
22
Online:
Online:
Scrive
Scrive ilil nome
nome del
del
device
device nel
nel device
device
PROFINET
33
MAC Addr 1
MAC Addr 2
Start
Start up:
up:
IO-Controller
IO-Controller assegna
assegna
l’IP-Address
l’IP-Address al
al device
device
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22
V1.04 – b34
PROFINET IO: Regole per l’assegnamento del nome
¾ Questo campo è una “OctetString” di lunghezza da 1 a 240 byte
¾ La sintassi è la seguente
• 1 o più “label”, separate da [ . ]
• Lunghezza totale è da 1 a 240 byte
• Lunghezza “label” da 1 a 63 byte
• I caratteri ammessi per una “label” sono [ a-z 0-9 - ]
(non ammesso formato n.n.n.n con n=0…999)
• Le “label” non iniziano per [ - ] (non ammesso iniziare per “port-xxx”)
• Le “label” non terminano per [ - ]
¾ Esempio “device-1.machine-1.plant-1.vendor”
¾ Ogni NameOfStation deve essere unico nel caso un device sia
equipaggiato con più di un modulo di interfaccia.
¾ Se non si usano le “label” la lunghezza massima del nome è 63 byte.
¾ Alcuni controllori potrebbero avere un limite all alunghezza del nome.
Per esempio i controllori S7 hanno come limite 127 byte.
Standard: 4.3.1.4.15 Coding of the field NameOfStationValue (page: 10073)
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V1.04 – b34
I file GSD per
PROFINET IO
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V1.04 – b34
I file GSD per gli IO-Device PROFINET IO
¾ I file GSD (General Station Description) contengono la descrizione
delle proprietà dell’IO-Device
• Parametri e proprietà della comunicazione
GSD
• Descrizione dei Moduli (numero e tipo)
• Dati di configurazione dei moduli
• Parametri dei moduli
• Informazioni di diagnostica dell’IO-Device e dei Moduli
¾ Il file GSD è scritto in GSDML basato su XML
• È possibile usare qualunque editor XML
• Uno Schema XML standardizzato definisce
il contenuto e i formati
• La struttura del file corrisponde
alla ISO15745
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Header according to ISO 15745
Application Layer
with device properties
e.g. Configdata + Parameter
Transport Layer
with communication properties
e.g. Number + Type of
interfaces
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25
V1.04 – b34
Struttura delle informazioni e dei parametri
IOsubslot
subslot
IO
9SupportedAPI
API
9Supported
BusInterface
Interface
Bus
9RTClass
Class
9RT
9Protocols(SNMP,
(SNMP,LLDP,
LLDP,MIBs)
MIBs)
9Protocols
9FSUsupported
supportedy/n
y/n
9FSU
Mod ID = 0x300
Sub Id = 1
9RTClass
Class33Properties
Properties
9RT
9Maxbridge
bridgedelay
delay
9Max
9Supportedsend
sendclock/reduction
clock/reductionratios
ratios
9Supported
Sub Id = 2
Sub Id = 3
Subslot 1
Mod ID = 0x30
Sub Id = 1
Subslot 1
9IOdata
datalength
length
9IO
9IOdata
dataconsistency
consistency
9IO
9OptionalIRT
IRTproperties
properties
9Optional
ƒIRTrequired
required
ƒIRT
ƒTi/Todelays
delays
ƒTi/To
ƒ....
ƒ....
Subslot 0x8000
Subslot 0x8001
Bus interface
(DAP)
Ethernetport
port
Ethernet
9MAU-type(e.g.
(e.g.100BASETXFD)
100BASETXFD)
9MAU-type
Slot 0
Slot 1
9Maxport
portdelay
delayfor
forRx/Tx
Rx/Tx
9Max
9Portdeactivation
deactivationsupported
supported
9Port
9Linkstate
statediagnosis
diagnosis(up,down,...)
(up,down,...)
9Link
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26
V1.04 – b34
Struttura dei file GSD
ISO 15745 Profile
DeviceIdentity:
DeviceIdentity:
VendorID
VendorID
Profile Header
Device_ID
Device_ID
Device Identity
Family:
Family:
MainFamily==“IO“
“IO“
MainFamily
ProductFamily==“Devkit“
“Devkit“
ProductFamily
DeviceFunction
DeviceAccessPointList
ModuleList
DeviceAccessPointItem
list of all DAPs DAP1, DAP2,....
and its properties
SubmoduleList
ValueList
ChannelDiagList
UnitDiagListList
Nel tool di egineering
GraphicsList
CategoryList
ExternalTextList
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27
V1.04 – b34
PROFINET IO: identificazione del dispositivo
¾ Ogni PROFINET IO-Device ha un identificativo unico a livello
mondiale (Device-Ident-Number)
¾ I 32 bit del Device-Ident-Number sono divisi in:
¾ 16-bit Manufacturer Identification (es. 002A per Siemens)
¾ 16-bit Device Identification (es. 0301 per ET200S)
¾ Il Manufacturer Identification è assegnato dal PNO
¾ Il Device Identification può essere assegnato dal produttore
002A
Manufacturer Identification
(e.g. Siemens)
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0301
Device Identification
(e.g. ET200S)
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28
Centro di competenza italiano PROFIBUS E PROFINET V1.04 – b34
Cavi e Connettori
PROFINET
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29
V1.04 – b34
Ethernet: livello fisico
¾ 100BASE-TX usa codifica dei segnali di tipo MLT-3 per ridurre la
banda utilizzata e quindi poter usare cavi di categoria inferiore
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30
V1.04 – b34
Ethernet: livello fisico
¾ I bit da trasmettere vengono raggruppati in gruppi da 4 bit (16
possibilità) e trasformati in simboli da 5 bit (codifica 4B/5B) (32
possibilità)
¾ Oltre a simboli che trasportano informazione ci sono quindi anche altri
simboli che vengono usati per controllare l’inizio e la fine dei frame
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31
V1.04 – b34
Ethernet: livello fisico
¾ Segnale fisico
© 2004-2011 PROCENTEC
End
Cable delay
~380 ns
75 m
Start
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32
V1.04 – b34
Tipologie di cavi PROFINET (rame)
¾ 100 BASE-TX: trasmissione elettrica su doppino twistato e schermato
¾ Due doppini in cavo di categoria 5(e) - CAT 5e FTP
Filo di rame
Isolante del filo
Guaina interna
Pellicola plastica
Elemento centrale (trazione)
Pellicola di schermatura
Schermo
Guaina esterna
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TD+
TD-
Transmission Data +
Transmission Data -
giallo
arancione
RD+
RD-
Receive Data +
Receive Data -
bianco
blu
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33
V1.04 – b34
Caratteristiche dei cavi PROFINET in rame
¾ Colore:
¾ Schermatura:
¾ Diametro esterno del cavo:
¾ Design:
¾ Colori:
¾ Diametro esterno filo singolo:
¾ Area rame filo singolo:
¾ Lunghezza massima
¾ Impedenza @100 MHz
Tipo cavo
A
Verde RAL6018
calza in rame + foglio in alluminio
5.5 – 8.0 mm
Due coppie oppure star-quad
white&blue, yellow&orange
1.4 ± 0.2 mm
AWG22 = 0.325 mm2
100 metri
100 Ω ± 15 Ω
B
C
Istallazione
Fissa nessun
movimento
Flessibile, movimenti
occasionali o
vibrazioni
Altamente flessibile,
permanentemente in
movimento o
torsione
Sezione
ramo/trefoli
AWG22 / 1
AWG22 / 7
AWG22 / 19
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34
V1.04 – b34
Altre caratteristiche da controllare sempre
¾ Attenuation: attenuazione del segnale dovuta alla resistenza elettrica
serie o ad altri fattori (valori tipici 24dB/100m)
¾ Return Loss: potenza riflessa da disadattamenti (tipico 10 dB/100m)
¾ NEXT: Near End CrossTalk Attenuation, attenuazione del crosstalk al
trasmettitore, deve essere alto.
¾ ACR: Attenuation to CrossTalk Ratio, rapporto tra l’attenuazione e il
CrossTalk, servono parecchi decibel per stare sicuri.
¾ Propagation delay: ritardo introdotto nel propagare il segnale
(solitamente circa 5ns/1m)
¾ Attenzione: il segnale Ethernet dopo una tratta di 100 m è
attenuato di quasi 40dB !
¾ Questo significa che l’ampiezza è stata ridotta di un fattore 100 !
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35
V1.04 – b34
Esempi di caratteristiche di cavi PROFINET Star-Quad
Typical Values
Frequency (MHz)
10
16
62.5
100
Attenuation (dB/100m)
6.0
7.6
16.0
21.0
Next (dB)
70.0
65.0
55.0
50.0
ACR (dB)
64.0
57.4
39.0
29.0
http://www.hitechcontrols.com/cables/data_network_bus/helukabel_bus_cables/profinet_type_b_c.html
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36
V1.04 – b34
Tipologie di connettori PROFINET
¾ I connettori PROFINET sono specificati secondo un modello
“inside”/”outside”:
• “Inside” si riferisce ai connettori all’interno della zona di controllo o
negli armadi di distribuzione
• “Outside” si riferisce ai dispositivi esposti sul campo
¾ Questi due tipi di connettori hanno diversi requisiti di robustezza:
• Connettori e dispositivi “inside” sono generalmente IP20
• Connettori e dispositivi “outside” devo essere almeno IP65 o più
IP65 RJ45
IP65 Hybrid
RJ45
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IP20 RJ45
IP65 M12
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37
V1.04 – b34
Tipologie di connettori PROFINET RJ45 (rame)
IP65 Hybrid
RJ45
IP65 RJ45
IP20 RJ45
Segnale
Nome
Colore
TD+
TD-
Transmission Data +
Transmission Data -
giallo
arancione
1
2
RD+
RD-
Receive Data +
Receive Data -
bianco
blu
3
6
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Contatto numero
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38
V1.04 – b34
Tipologie di connettori PROFINET M12 (rame)
Segnale
Nome
Colore
TD+
TD-
Transmission Data +
Transmission Data -
giallo
arancione
1
3
RD+
RD-
Receive Data +
Receive Data -
bianco
blu
2
4
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Contatto numero
PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia
39
V1.04 – b34
Cablare PROFINET: uso dello stripper
1.
2.
Afferrare lo stripper
con la mano destra
Allineare il cavo
utilizzando il template.
5. Ruotare lo stripper intorno
al cavo per 4 volte
3. Inserire l’estremo del cavo
nello stripper, utilizzando l’indice
sinistro come limitatore e
garantire la lunghezza corretta
6. Tirare lo stripper dall’estremo
del cavo mantenendo lo stripper
chiuso
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4. Bloccare a fondo il cavo nello
stripper
7. Rimuovere l’isolante
rimasto nello stripper.
8. Rimuovere la pellicola
protettiva
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40
V1.04 – b34
Connettori Fast Connect
1. Allargare i cavi secondo la
sequenza dei colori presente
sul connettore FC RJ45
4. Chiudere la copertura e
girare il meccanismo di
bloccaggio manualmente
nella direzione della freccia
2. Inserire i cavi nel connettore
FC RJ45 fino al raggiungimento
del fondo
3. Premere l’elemento di contatto
del connettore
5. Inserire un cacciavite da
2.5 mm attraverso il foro nel
meccanismo di bloccaggio e
girare fino al limite di stop
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41
V1.04 – b34
Tipologie di cavi PROFINET (fibra ottica)
¾ 100 BASE-FX: trasmissione ottica su coppia di fibre ottiche
¾ Insensibile ai disturbi elettromagnetici
¾ Di solito connessioni punto a punto
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42
V1.04 – b34
Tipologie di cavi in fibra ottica
¾ Caratteristiche principali delle tecnologie disponibili per
la 100 BASE-FX
Parametro
Multimode
Singlemode
Diametro del core
62,5/125 µm oppure 50/125 µm
Da 8,7 a 10/125 µm
Massima distanza *)
2,000 m
Fino a circa 14 km
Connettore
SC-D BFOC/2.5
SC-D BFOC/2.5
*) Questa specifica può variare da costruttore a costruttore
¾ Si possono usare anche fibre ottiche plastiche (POF) che hanno
caratteristiche ottiche peggiori (max circa 50 m) ma sono molto robuste
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43
V1.04 – b34
Connettori PROFINET per fibra ottica
¾ ST (BOFC/2.5): sia per fibre Singlemode or Multimode.
Inserimento e bloccaggio del connettore a baionetta
¾ SC : formato molto compatto. Nella versione a doppia fibra evita
l’inversione accidentale.
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44
V1.04 – b34
Schermatura e messa terra
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45
Schermatura e messa a terra
V1.04 – b34
Influenze esterne (disturbi) sulla comunicazione
¾ Crosstalk
¾ Correnti di loop sulle masse
¾ EMI
EMI
Receiver
Sender
Currents
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46
Schermatura e messa a terra
V1.04 – b34
Riduzione dei disturbi elettrostatici
¾ La schermatura riduce i disturbi elettrici
•Mettere a massa in molti punti
•Usare schermature spesse
¾ Uno schermo non messo a terra non ha effetto
High Voltage
Sorgente di interferenza
Es. Cavo di potenza
Rs
Rs
Rs
Il disturbo catturato dallo
schermo va a terra
Pickup
Rs = Shield resistance
¾ Nei cavi Ethernet è importante anche limitare il crosstalk tra le
coppie di trasmissione. Esistono cavi SSTP/PIMF (Pair In Metal
Foil) dove ogni coppia è schermata
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47
V1.04 – b34
Collegamenti dello schermo
¾ I cavi PROFINET sono solitamente schermati. Questo significa che
bisogna controllare dove collegare lo schermo a terra
¾ Le linee guida suggeriscono di connettere lo schermo a terra a
entrambi gli estremi del cavo
¾ Le linee guida suggeriscono di collegare lo schermo a terra all’entrata
e all’uscita di ogni cabinet
¾ I dispositivi PROFINET hanno prese con contatti metallici che
permettono ai connettori PROFINET di collegare lo schermo a terra
¾ Per assicurarsi che lo schermo sia a terra e ci sia continuità di terra
¾Usare connettori di metallo
¾Usare sempre cavi schermati (FTP), evitare cavi UTP
¾Se necessario usare un cavo di terra aggiuntivo in parallelo al
cavo PROFINET
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48
V1.04 – b34
Collegamenti dello schermo
¾ Mancanza di continuità dello schermo implica una parte di impianto
non schermata
Cavo non schermato UTP
=
Schermo interrotto
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49
Schermatura e messa a terra
V1.04 – b34
Collegamenti di terra tra diversi cabinet
¾ Le norme di installazione PROFINET prevedono che il cavo
PROFINET sia messo a terra all’ingresso e all’uscita di ogni cabinet
Cabinet 1
Cabinet n
Cabinet 2
Cavo di terra in parallelo
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50
V1.04 – b34
PROFINET IO
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51
V1.04 – b34
PROFINET IO: La sequenza di avvio (Start Up)
IO-Controller
¾ Connect frame
(richiesta connessione)
¾ Write frame
(scrittura parametri)
¾ Dcontrol frame
(end parametrization)
¾ Ccontrol frame
IO-Device
Connect.req
Setup della relazione
provider-consumer
Setup della macchina a
stati degli allami
Avvio del Provider (dati
con bad status)
Avvio consumer con
monitoring
Connect.res
Setup della relazione
provider-consumer
Setup della macchina a
stati degli allami
Avvio del Provider (dati
con bad status)
Write_record.req
Avvio consumer
conmonitoring
Write_record.res(+)
Write_record.req
(application ready req)
Input e output con
status bad
Write_record.res(+)
Avvio macchina stati
allarmi
DControl.req
DControl.res
CControl.req
CControl.res
Input
Output
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Avvio macchina stati
allarmi
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52
V1.04 – b34
PROFINET IO: La sequenza di avvio rapida (Fast Start Up)
¾ Nessuna negoziazione della
direzione dei cavi
¾ Indirizzo IP non riassegnato
¾ Parametri già salvati in memoria
DCP.Hello (Address info)
Connect.req
Connect.res
IO Controller
Write.req (FSParamUUID)
Write.res
2
End of Par.req
End of Par.res
Appl. Ready.req
da PN-ALprotocol_2722_d23_Mar10.
pdf
© PI international
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Appl. Ready.res
Outputs
Inputs
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IO Device
53
V1.04 – b34
PROFINET IO: Il ciclo Real-Time non-sincronizzato
¾ Solo l’intervallo di tempo è definito, non l’inizio di un ciclo sul bus !
IO Controller
PROFINET
IO Devices
1ms
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2ms
4ms
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54
V1.04 – b34
PROFINET IO: Monitoraggio della connessione - watchdog
¾ In PROFINET IO lo scambio dati ciclico viene tenuto sotto controllo
sia dal consumer.
¾ Per una IO-CR si definiscono
• Watchdog Time: tempo dopo il quale l’applicazione lato consumer
viene informata della mancanza di comunicazione
• DataHold Time: per quanto tempo le uscite vengono mantenute
all’ultimo valore inviato prima di essere messe nello stato failsafe.
Ha senso nelle strutture ridondate come tempo di switching tra
due IO-controller. Nelle sitazioni normali coincide con il watchdog.
¾ Il tempo di watchdog deve essere sempre inferiore a 1.92 s. Unica
eccezione nelle comunicazioni PROFINET over UDP può arrivare a
61.44 s
¾ Attenzione: in PROFINET non esistono i retry!
¾ Quindi se un pacchetto va perso il tempo di aggiornamento di quella
stazione raddoppia!
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55
V1.04 – b34
Esempio di configurazione
e
startup
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56
V1.04 – b34
PROFINET IO: fase di avvio
IO - Controller
1.
IO - Device
Distribuzione degli indirizzi IP
L’IO-Controller distribuisce gli indirizzi IP a tutti gli IO-Device
basandosi sui loro nomi.
2.
Set-up delle Application Relation
L’ IO-Controller avvia le AR con tutti gli IODevices
3.
Scambio ciclico degli IO data
L’IO-Controller spedisce le uscite e riceve gl
iingressi dagli IO-Device
4.
Gestione degli Allarmi
L’IO-Controller è pronto per ricevere
imessaggi di allarme dagli IO-Device
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57
V1.04 – b34
PROFINET IO: distribuzione degli indirizzi IP
Source
Destination
Protocol
Info
147.87.174.141
01:0e:cf:00:00:00 PN-DCP Ident Req, Xid:0x1, NameOfStation
IO Controller verifies that his name is not already in use
147.87.174.141
147.87.174.141
147.87.174.141
Broadcast
ARP
Who has 147.87.174.141? Gratuitous ARP
Broadcast
ARP
Who has 147.87.174.141? Gratuitous ARP
Broadcast
ARP
Who has 147.87.174.141? Gratuitous ARP
IO Controller verifies that his IP address is not already in use
147.87.174.141
147.87.174.142
01:0e:cf:00:00:00
147.87.174.141
147.87.174.141
Broadcast
ARP
Who has 147.87.174.142? Tell 147.87.174.141
The IO Controller verifies, that the IP address of the IO Device is not already in use
147.87.174.141
147.87.174.142
147.87.174.142
PN-DCP Set Req, Xid:0x1, IP, End-Trans
147.87.174.141
PN-DCP Set Ok , Xid:0x1, Response(Ok), Response(Ok)
The IO Device is given his IP address
147.87.174.141
147.87.174.142
Broadcast
ARP
Who has 147.87.174.142? Tell 147.87.174.141
147.87.174.141
ARP
147.87.174.142 is at 08:00:06:6b:f6:23
The IO Controller verifies if the IO Device has now its IP address assigned
PN-DCP
PN-DCP
Ident Req, Xid:0x2, NameOfStation
Ident Ok , Xid:0x2, NameOfStation, Dev-Options(5),
TypeOfStation, Dev-ID, Dev-Role, IP
The name of the IO Device is verified
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58
V1.04 – b34
PROFINET IO: set up delle Application Relation
Source
Destination
147.87.174.141
147.87.174.142
Protocol
Info
147.87.174.142
PNIO-CM Connect request, ARBlockReq, IOCRBlockReq,
IOCRBlockReq, ... (10 blocks)
147.87.174.141
PNIO-CM Connect response, OK, ARBlockRes,
IOCRBlockRes, IOCRBlockRes, ... (5 blocks)
Establish the Application Relation with specification of the Connection Relation
147.87.174.141
147.87.174.142
147.87.174.142
147.87.174.141
147.87.174.141
147.87.174.142
147.87.174.142
PNIO-CM Write request, Api: 0, Slot: 1/1, 3 bytes
147.87.174.141
PNIO-CM Write response, OK, Api: 0, Slot: 1/1, 3 bytes
Write Parameters for the different moduls
147.87.174.141
147.87.174.142
PNIO-CM Write request, Api: 0, Slot: 0/1, 7 bytes
PNIO-CM Write response, OK, Api: 0, Slot: 0/1, 7 bytes
147.87.174.142
PNIO-CM Control request, IODBlockReq, Command:
"Parameter End"
147.87.174.141
PNIO-CM Control response, OK, IODBlockRes, Command:
"Done„
The IO Controller signals that he is ready
147.87.174.142
147.87.174.141
147.87.174.141
PNIO-CM Control request, IOXBlockReq, Command:
"Application Ready"
147.87.174.142
PNIO-CM Control response, OK, IOXBlockRes, Command:
"Done„
The IO Device signals that he is ready also
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V1.04 – b34
PROFINET IO: scambio dati ciclico
Source
Destination
Protocol
Info
147.87.174.141
147.87.174.142
PNIO
147.87.174.142
147.87.174.141
PNIO
RTC1, FrameID: 0xc000, DataLen: 40, Cycle: 49408
(Valid,Primary,Ok,Run)
RTC1, FrameID: 0xc080, DataLen: 40, Cycle: 13376
(Valid,Primary,Ok,Run)
Normal state
147.87.174.142
147.87.174.141
PNIO
147.87.174.141
147.87.174.142
PNIO
RTC1, FrameID: 0xc080, DataLen: 40, Cycle: 44160
(Valid,Primary,Ok,Run)
RTC1, FrameID: 0xc000, DataLen: 40, Cycle: 14720
(Valid,Primary,Ok,Stop)
IO Device is stopped
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60
V1.04 – b34
Tool di debug
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61
V1.04 – b34
Come fare diagnostica di una rete PROFINET?
¾ Problemi tipici di una rete PROFIBUS
• Cavi rotti, riflessioni terminazioni errate, derivazioni, indirizzi
duplicati, configurazione errata
¾ Problemi tipici di una rete PROFINET
• Cavi rotti, connessioni ridondanti non volute, nomi mancanti,
indirizzi IP duplicati, network mask errate, firewall con regole
errate, problemi di configurazione
¾ Differenze
• Tutti possono parlare con tutti, non è master-slave!
• In generale, in una rete switched-Ethernet i collegamenti sono
tutti punto-punto
• Per controllare il livello fisico bisognerebbe accedere a tutti i cavi
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V1.04 – b34
Troubleshooting di una rete PROFINET?
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63
V1.04 – b34
Strumenti di debug
¾ Strumenti palmari per i problemi di installazione
¾ Tool SNMP per accedere alle informazioni diagnostiche degli switch
¾ Network sniffer per l’analisi in dettaglio con probe per la cattura di
tutto il traffico
¾ Tool di analisi delle performance per trovare i colli di bottiglia
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V1.04 – b34
Strumenti palmari per l’installazione
¾ Esempio: PN1, PROFINET Cable Tester
• “Cable tester” completo per PROFINET
• Test della configurazione dei pin per
10/100/1000Base-T, etc.
• Cavi CAT3, CAT4, CAT5, CAT5e, CAT6
• Test dello schermo dei cavi
• Verifica la continuità, l’interruzione, i
cortocircuiti e gli errori di cablaggio (es.
inversioni)
• Risultato dei test disponibile premendo
un solo pulsante e continuamente
aggiornato
• Identificazione veloce del cavo interrotto
con il generatore di toni audio integrato
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V1.04 – b34
Trovare i dispostivi connessi
Advanced IP Scanner
¾ Free IP scanner
¾ Basato sull’invio di comandi Ping
¾ Trova solo dispostivi con indirizzo IP
¾ Va bene se si cercano tutti dispostivi
collegati e non solo quelli PROFINET
¾ Se si è interessati solo ai dispositivi
PROFINET allora un browser DCP è
migliore perché trova anche i device
senza IP !
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66
V1.04 – b34
Farsi aiutare dagli switch
¾ Gli switch possono aiutare tenendo, per esempio, delle statistiche
sui pacchetti persi, sugli errori di CRC
¾ Naturalmente bisogna poi interrogare gli switch.. Come?
¾ Le reti Ethernet evolute basate su switch “managed” con il supporto
al protocollo SNMP sono la risposta!
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67
V1.04 – b34
Farsi aiutare dagli switch …
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68
V1.04 – b34
Problemi di rumore – errori CRC
¾ Un eccesso di errori CRC indicano presenza di rumore
¾ Le informazioni sugli errori CRC sono immagazzinate negli switch
(managed) e sono disponibili DOPO che la perdita dei pacchetti è
avvenuta
¾ Solitamente i problemi maggiori sono nei cavi lunghi
¾ Le trasmissioni half-duplex creano collisioni e quindi errori CRC
¾ Attenzione: alcuni switch
unmanaged filtrano i
pacchetti corrotti,
nascondendo di fatto
gli errori all’utente!
¾ In una installazione corretta
gli errori CRC dovrebbero
essere zero!
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Tool di test e misura
V1.04 – b34
Problemi di rumore – errori CRC
¾ Gli errori CRC sono forniti porta per porta da uno switch managed
¾ Si può individuare il link difettoso
¾ Per sicurezza controllare anche gli altri cavi nelle vicinanze
Rumore
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Tool di test e misura
V1.04 – b34
Acquisire il flusso di dati – packet sniffing
¾ Per vedere quello che passa su un link tra due dispostivi occorre
usare le porte di monitor degli switch
IO-Controller
IO-Device
IO-Device
Tool di Sniffing
Traffico duplicato
¾ Problemi:
• Il traffico di due direzioni viene aggregato (può saturare la
banda disponibile
• L’ordine dei frame viene alterato
• Alcuni switch monitorano solo una direzione non tutte e due !
¾ Se possibile, è meglio usare un probe per copiare il traffico!
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71
V1.04 – b34
Mirroring …
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72
Tool di test e misura
V1.04 – b34
Tap Ethernet: probe per il packet sniffing
¾ Si tratta di probe che si inseriscono in serie al link da monitorare e
copiano in modo passivo i frame verso il sistema di acquisizione
¾ Esistono Tap a doppia porta di uscita (una per direzione
monitorata
¾ Esistono probe aggreganti che uniscono il traffico su un solo
canale diretto alla stazione di monitor.
¾ Esempio: ProfiTap USB
• Registra tutti i pacchetti e li invia alla
stazione di monitor tramite USB 2.0
• Timestamp di tutti i pacchetti
• Non è visibile sulla rete
• Non altera le caratteristiche real-time
della rete
• Non interrompe lo schermo
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Tool di test e misura
V1.04 – b34
Tool di analisi e decodifica del traffico
¾ Ci sono diversi software per la decodifica dei pacchetti; WireShark
è uno dei più completi (ed è open source)
Sequenza dei frame nel file di storage
Decodifica del frame selezionato
Frame selezionato in Hex
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V1.04 – b34
Valutazione della banda utilizzata con SNMP
¾ Utilizzo di tool standard basati su SNMP (es. PRTG Traffic Grapher)
¾ Solo se l’infrastruttura di rete supporta SNMP
¾ Le informazioni statistiche sul numero di pacchetti trasmessi sono
prese dai MIB SNMP standard oppure da MIB specifici
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75
V1.04 – b34
PROFIsafe
INSTALLAZIONI SICURE
“Safety”
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76
PROFIsafe
V1.04 – b34
La situazione attuale nel campo della sicurezza funzionale
¾ La sicurezza funzionale (safety) è ottenuta per mezzo di bus proprietari
¾ L’integrazione con il sistema principale è lunga e costosa (tempi sviluppo)
¾ Molte volte I/O non sicuri operano sul campo da proteggere
DP Master
Standard I/O
(DP Slave)
PROFIBUS DP
Bus proprietario
dedicato alla safety
Livello con
I/O Safety
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77
PROFIsafe
V1.04 – b34
Controllo della posizione fisica
¾ Se vengono usati più dispositivi slave dello stesso tipo il master non ha
il controllo della posizione fisica o di un eventuale cambio di indirizzo
DP master
(class 2)
DP master
(class 1)
PC
PLC
CNC
DP master
(class 2)
PROFIBUS DP
Ingressi e uscite distribuiti
Ingressi e uscite distribuiti
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78
PROFIsafe
V1.04 – b34
Soluzione standard PROFIBUS con ASIC
¾ La CPU perde contatto con gli eventi di rete
¾ I dati nella dual port RAM sono attuali?
¾ I dati nella dual port RAM sono stati trasmessi o no?
Ingressi/uscite
CPU
+
Software applicativo
D
Dual Port RAM
PROFIBUS ASIC
H
D
T
network interface
RS 485 / FO / MBP-IS
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79
PROFIsafe
V1.04 – b34
Struttura di PROFIsafe
Software di
programmazione
standard
Standard
CPU e
Fail-Safe HW
Standard
remote I/O
Standard
PROFIBUS DP
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Tool di
programmazione
Fail-Safe
Programma applicativo
Fail-Safe
Fail-Safe FBs with time diversity
Moduli I/O
Fail-Safe
PROFIsafe
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80
V1.04 – b34
Caratteristiche principali di PROFIsafe
¾ Funzioni sicure solo nei nodi PROFIBUS
¾ Certificato SIL 3 (IEC61508), AK6(DIN V 19250) e CAT 4 (EN954-1)
¾ PROFIBUS DP e PROFIsafe possono operare insieme
¾ Specifiche elettriche in secondo PROFIBUS DP
PLC con
funzione
fail-safe
Componente
standard
Sicurezza per mezzo di software
aggiuntivo in ogni componete
Componente
fail-safe
I/O
Fail-safe
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I/O
Standard
Azionam.
Dispositivo
failsafe
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81
PROFIsafe
V1.04 – b34
Aree industriali con rischi potenziali
Industrie di processo:
Industrie manifatturiere:
Persone, investimenti, natura
Persone e macchine
Process Control
Mainstream
Tempi di reazione 0.1 ...1s
IEC 61511,
NE 97....
TÜV
veleni,
pressioni
Production Cells / Centers
Up-/Downstream
Tempi di reazione 5 ...150ms
IEC 61508, 62061
ISO 13849
BIA/HSE/..
Inceneritori
movimenti
Trasporti
Calore
Attuatori e
Sensori
materiali
Automazione Fail-safe Distribuita
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82
PROFIsafe
V1.04 – b34
La visione di PROFIBUS
¾ Integrazione all’interno della rete
PROFIBUS
Master +
Safety
PROFIBUS-I/O
PROFIBUS-I/O
PROFIBUS
Master
Repeater
PROCESS FIELD BUS
DP/PA
Monitoring
Device
PROFIBUS-I/O
PROFIBUS-PA-Device
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PROFIBUS-I/O
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83
PROFIsafe
V1.04 – b34
Il driver Fail-Safe aggiunge nuovi dati
¾ Il driver aggiunge elementi extra al campo dati
¾ CRC
¾ Sequence number
¾ Byte di stato/controllo
Sync
time
SD
LE
LEr
SD
DA
SA
Data Unit = Standardor Fail-Safe data
FC
F Input/Output Data
Status /
Control Byte
FCS
ED
CRC2
across
F data
and
F parameter
and Vconsnr_h
Max. 12 / 123 Bytes
1 Byte
3/4 Bytes *)
*) 3 Bytes per un massimo di
12 Byte F I/O data
4 Byte per a max. of
123 Bytes F I/O data
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84
PROFIsafe
V1.04 – b34
PROFIsafe: Applicabile ad ogni rete PROFIBUS esistente
StandardI /O
Safety
Input
Safety
Control
Safety
Output
Safety-Layer
Safety-Layer
Safety-Layer
Standard
Control
7
7
7
7
7
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
= ASICs, collegamenti e cavi (non rilevanti per la safety)
= Funzioni non critiche dal punto di vista della safety (esempio: diagnostica)
= ”PROFIsafe": Parti dei sistemi critici dal punto di vista della sicurezza (es. Watchdog timer)
= Importanti per la sicurezza ma non descritti nel profilo (es. Safety I/O)
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“Black Channel"
=
Standard
PROFIBUS
PROFIBUS & PROFINET Competence Center Italy - Brescia
85
PROFIsafe
V1.04 – b34
PROFIsafe: Esempi di applicazioni
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86