CSMT e Università di Brescia - Centro
di Competenza PROFIBUS e
PROFINET
PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Verifica sperimentale di PROFINET IO
in grandi impianti manifatturieri
Paolo Ferrari
Università di Brescia,
Via Branze 38 25123 Brescia (Italy)
Tel: +39-030-3715445
fax: +39-030-380014
[email protected]
CSMT Gestione Scarl,
Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET – Brescia - http://profinet.csmt.it
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1
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
PROFINET IO si è diffuso in tanti settori
¾ Manifatturiero e automotive
• Impianti produzione automobili (es. Volkswagen)
• Sistemi riconfigurabili per impianti produttivi flessibili
• Protezione degli investimenti
¾ Logistica, magazzini e smistamento
• Nastri trasportatori, smistamento bagagli e posta
• Trasporto aereo, carrelli senza fili
• Sistemi a ciclo chiuso meccanicamente complessi
• Navi mercantili
¾ Applicazioni High-End
• Robotica, motion control
• Macchinari per stampa offset (rotative)
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Il nostro obiettivo:
Misurare le prestazioni in impianti reali
¾ Il background: Centro di Competenza
• Eccellenti contatti con i costruttori
• Imparzialità e interesse scientifico
• Esperienza nel settore degli audit
¾ L’obiettivo
• Individuare una rete complessa
• Test su rete completamente funzionante
• Ottenere indici di performance
facilmente comprensibili
¾ Obiettivo a lungo termine
• Utilizzare i parametri trovati per
costruire simulatori
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
PROFINET IO RT
non sincronizzato
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
La comunicazione in PROFINET
Comunicazione
standard
Automazione
di fabbrica
Applicazioni al
Motion Control
RT_Class 1
RT_Class 2 e 3
100ms
10ms
<1ms
IT Services, TCP/IP
Real-Time:
IRT
¾Una mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessità degli
utilizzatori
• Comunicazione Real-Time scalabile fino all’isocrono
• Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizioni
• e tutto su un’unica rete = integrazione orizzontale e verticale
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
PROFINET IO: terminologia
¾ PROFINET IO-Controller:
¾Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnati
¾Dispositivo che contiene il programma applicativo
¾ PROFINET IO-Device:
¾Dispositivo di campo collegata all’IO-Controller
¾ PROFINET IO-Supervisor:
¾HMI e diagnostica della stazione
¾ PROFINET IO-System
¾Comprende un IO-controller e i suoi IO-Device
Confronto nomi PROFIBUS con nomi PROFINET
DP Master system
PROFINET IO System
DP Master
PROFINET IO-Controller
DP Slave
PROFINET IO-Device
DP Master classe 2
PROFINET IO-Supervisor
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
PROFINET IO: relazioni tra i dispositivi
es. PLC
IO-Controller
ƒƒ Diagnostica
Diagnostica
ƒƒ Up/Download
Up/Download
Programmazione dei
dispositivi/PC:
PROFINET IO-Supervisor
Commissioning,
Commissioning,
diagnostica
diagnostica
IlIl programma
programma
applicativo
applicativo accede
accede ai
ai
dati
dati di
di processo
processo tramite
tramite
l’immagine
l’immagine del
del PLC
PLC
ƒƒ
ƒƒ
ƒƒ
Ethernet
Field Device
IO-Device
Configurazione
Configurazione
Dati
Dati di
di processo
processo
Allarmi
Allarmi
ƒƒ
ƒƒ
ƒƒ
Diagnostica
Diagnostica
Status/Control
Status/Control
Parametrizzazione
Parametrizzazione
Lettura
Lettura ee scrittura
scrittura I/O
I/O
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
PROFINET IO: Lo stack di comunicazione RT
¾ Doppio canale per i dati
¾ Strategia best effort
1 Canale aperto per
IT-Applications
UDP/IP
PROFINET Applications
1 StandardData
Real-TimeData
Real-Time
e.g.
z HTTP
z SNMP
z DHCP...
TCP/UDP
IP
2
RT
z
Parametrizzazione e
configurazione Device
z
Lettura dati diagnostici
z
Negoziazione del canale di
comunicazione per I dati
utente
2 Canale Real-Time RT
z
Scambio ciclico
performante per dati
utente
z
Messaggi/allarmi basati su
eventi
Ethernet
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PROFINET IO: Il ciclo Real-Time non sincronizzato
¾ Lo scambio dati in PROFINET IO avviene su base ripetitiva (ciclico)
¾ La durata del ciclo di scambio dati PROFINET IO può essere
impostata secondi diversi criteri. Esempio:
• Unica per tutta la rete (tutti gli IO-Device usano lo stesso tempo)
• Specifica per ogni IO-Device
•
¾ In PROFINET IO RT non–sincronizzato, l’inizio del ciclo non è
univoco in tutti i dispositivi.
¾ Ogni dispositivo calcola il tempo di ciclo con il suo quarzo.
IO-Contr
IO-Dev 4
IO-Dev 3
IO-Dev 2
IO-Dev 1
IO-Dev 1
La fase temporale
tra due dispositivi
non è costante!
SendClock
Tempo
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Esempio performance
PROFINET IO RT
in una rete di grandi
dimensioni
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La rete sotto test
Switch
IO-Device
1
2
3
4
IO-Controller
11
10
5
9
8
7
6
ƒ 11 Switch con redundancy ring (MRP)
ƒ 115 IO- Device (circa 1000 I/O, 30 azionamenti etc. etc.)
ƒ 1 IO-Controller
ƒ 30% di traffico PROFINET IO RT (heavy loaded network!)
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Architettura complessa
¾ Architettura mista stella, festone e anello
Stelle
Anello
1
2
3
11
10
4
5
9
8
7
6
Festoni
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Dispositivi multivendor
¾ Dispositivi IO-Device di costruttori e modelli diversi
¾ Anonimato per i produttori
IO-Device
A
B
C
D
E
F
G
S (switch)
Nominal
PROFINET
cycle time Payload
TDE [ms]
[Byte In/Out]
IO modulari
Instances
2
2
2
128
2
2
4
40/40
40/40
40/40
40/40
179/83
40/40
40/40
23
29
10
11
8
7
27
-
-
11
Azionamenti
Encoder
HMI
Avvitatori
Valvole
Azionamenti
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Come realizzare la misura
¾ Il traffico è diretto da e verso il PLC
• tutti i dispostivi parlano con il PLC
• il PLC comunica con tutti
¾ Traffico unicast
• PROFINET IO usa messaggi unicast
• visibili solo sul link interessato
¾ Soluzione: TAP Ethernet in serie all’IO-Controller
• Copia il traffico e lo invia
IO-Controller
ad un PC che lo registra
• Timestamp accurato assegnato
ad ogni pacchetto
(risoluzione 5 ns)
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1
Monitor
Station
Tap
2
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Implementazione pratica
PC
monitor
PLC
TAP
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Switch
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Analisi del traffico
¾ Quasi totalità traffico profinet (>27 Mbit/s per direzione)
• presente TCP
• visibile traffico di sincronizzazione (PTCP): non utilizzato
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Analisi del traffico
¾ Dimensione dei pacchetti
• la minima possibile
• rete molto caricata
• molti pacchetti da
smistare ogni secondo
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Analisi della ripetitività temporale
¾ Sistema di riferimento temporale univoco: timestamp del TAP
¾ Calcoliamo il tempo di ciclo reale
• Variazioni rispetto a quello impostato
¾ Metriche:
• Deviazione standard
• Jitter: massima variazione (Valore max - Valore min)
¾ Analisi di tutti i dispostivi, raggruppati per modello
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Analisi della ripetitività temporale dell’IO-Controller
Due dispostivi dello
stesso modello
IO-C to
IO D
A-1
A-2
B-1
C-1
C-2
D-1
E-1
E-2
F-1
F-2
G-1
G-2
Average
T DE [μs]
1999.995
1999.995
1999.995
1999.995
1999.995
127999.7
1999.995
1999.996
1999.995
1999.995
3999.991
3999.991
Std. Dev.
T DE [μs]
0.318
0.383
0.374
0.777
0.614
0.6
0.361
5.714
0.382
0.344
0.268
0.424
Jitter
[μs]
Max
6 μs
27.840
32.640
32.640
84.320
81.465
13.4
27.840
27.520
32.640
27.840
23.280
27.840
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Max
100 μs
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Analisi della ripetitività temporale degli IO-Device
Due dispostivi dello
stesso modello
IO-D to
IOC
A-1
A-2
B-1
C-1
C-2
D-1
E-1
E-2
F-1
F-2
G-1
G-2
Average
T DE [μs ]
1999.999
2000.004
2002.342
2000.016
2000.000
128009.4
1999.995
1999.990
1999.915
1999.922
4005.276
4005.288
Std. Dev.
T DE [μs]
22.069
53.520
43.049
31.832
29.055
3995.6
30.038
49.361
32.436
14.834
26.963
25.619
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Jitter
[μs]
214.085
276.965
595.125
231.440
214.165
10591.8
499.770
563.290
271.440
118.640
258.165
266.000
Max
50 μs
Max
0.6 ms
Paolo Ferrari
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Analisi della ripetitività temporale degli IO-Device
IO-D to
IOC
Average
T DE [μs ]
A-1
A-2
B-1
C-1
C-2
D-1
E-1
E-2
F-1
F-2
G-1
G-2
HMI
Std. Dev.
T DE [μs]
1999.999
2000.004
2002.342
2000.016
2000.000
128009.4
1999.995
1999.990
1999.915
1999.922
4005.276
4005.288
Jitter
[μs]
22.069
53.520
43.049
31.832
29.055
3995.6
30.038
49.361
32.436
14.834
26.963
25.619
214.085
276.965
595.125
231.440
214.165
10591.8
499.770
563.290
271.440
118.640
258.165
266.000
Implementazione
totalmente
software
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Analisi della variabilità introdotta dalla rete
¾ La variabilità associata agli IO-Device dipende anche dal fatto che il
traffico deve attraversare la rete.
¾ Dispositivi più distanti hanno variabilità maggiori
1400
4000
Dispositivo
vicino (F-1)
3500
3000
Samples
Samples
1000
270 μs
2500
Dispositivo
lontano (B-1)
1200
2000
590 μs
800
600
1500
400
1000
200
500
0
1.85
1.9
1.95
2
2.05
2.1
2.15
2.2
0
1.7
1.8
1.9
TDE [ms]
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2011 Copyright Università di Brescia Paolo Ferrari - 030 3715445 [email protected]
2
2.1
2.2
2.3
2.4
TDE [ms]
Paolo Ferrari
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di Competenza PROFIBUS e
PROFINET
PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Analisi della performance
¾ L’IO-Controller è in grado di sostenere un traffico elevato con un una
ripetibilità estremamente spinta (6 μs)
¾ La rete introduce una variabilità limitata sul traffico.
Il massimo jitter misurato è stato di 0.6 ms.
¾ La soluzione PROFINET IO RT (non sincronizzato) è in grado di
fornire prestazioni ottime anche in reti complesse.
¾ Rif. Bibliografici
P. Ferrari, A. Flammini, F. Venturini, A. Augelli, "Large PROFINET IO RT networks for factory
automation: a case study", Proceedings of the 16th IEEE International Conference on Emerging
Technologies and Factory Automation. ETFA2011 , Toulouse, France, September 5-10, 2011, pp.
1-4, IEEE catalog number: CFP11ETF-USB, ISBN: 978-1-4577-0016-3 , 978-1-4577-0018-7/11.
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PROFINET IO in grandi impianti manifatturieri
Note ulteriori
¾ I malfunzionamenti, come sempre, sono quasi sempre relativi ai
cablaggi!
¾ Il livello fisico di (industrial) Ethernet è adeguatamente robusto.
¾ Errori nella realizzazione dei connettori.
¾ Errori nella posa dei cavi.
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Evitare il troubleshooting “fai da te”
¾ Usare le guide di installazione
Sì
No
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