CSMT Gestione Scarl e Università di
Brescia - Centro di Competenza
PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET:
Soluzioni per l’automazione
di processo
Paolo Ferrari
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Brescia,
Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy)
Tel: +39-030-3715445 fax: +39-030-380014
e-mail: [email protected]
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Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET - Brescia
http://profinet.csmt.it
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1
PROFINET: soluzioni per il processo
Sommario di oggi
¾ Parliamo di PROFINET, cioè di
• Protocollo di comunicazione scalabile
• Ridondanza
• Configuration in Run (CiR)
• Integrazione di altri fieldbus
• Architetture di rete e nuove possibilità
• Sicurezza funzionale
• Wireless
• (PROFIenergy)
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1
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
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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3
PROFINET: soluzioni per il processo
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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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
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
Configurazione
Configurazione
Dati
Dati di
di processo
processo
Allarmi
Allarmi
Ethernet
ƒƒ
ƒƒ
ƒƒ
Field Device
IO-Device
Diagnostica
Diagnostica
Status/Control
Status/Control
Parametrizzazione
Parametrizzazione
Lettura
Lettura ee scrittura
scrittura I/O
I/O
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: scambio dati tra controller e device
¾ Tra l’IO-Controller and IO-Device esiste relazione
¾ Si possono scambiare diversi tipi di dati: configurazione, dati di
processo e allarmi
¾ Lo scambio dati non deve essere simmetrico… NON è un master
slave!
Canale
Canale Standard
Standard
ƒƒ Configurazione
Configurazione
Canale
Canale Real-Time
Real-Time
ƒƒ Dati
Dati di
di processo
processo
Canale
Canale Real-Time
Real-Time
ƒƒ Allarmi
Allarmi
Record data CR
IO data CR
Alarm CR
IO-Controller
IO-Device
AR
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali
RTE Cl.3
Cl.2
RTE Cl.1
Non RTE
15%
0.25...1.0
msec
100%
10
msec
IRT= isochronous
real time (hardware)
t
100
msec
TCP, DCOM,
IP, HTTP…
RT= real time Cl. 1
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Lo stack di comunicazione RT
¾ Doppio canale per i dati
¾ Componenti con funzionalità diverse convivono nella
stessa rete
1
Canale TCP/IP standard
IT applications
e.g.
„ HTTP
„ SNMP
„ DHCP...
PROFINET applications
1
Standard data
Real-time data
IP
Real-time
TCP/ UDP
2
Ethernet
RT
„
„
„
„
Parametrizzazione dispositivi
Dati diagnostici
Inizializzazione collegamenti
Negoziazione del canale di
comunicazione
2 Canale Real-time RT
„ Trasferimento hi-performance
„ Dati ciclici
„ Trasferimento su evento
2 RT 3 IRT
Real-time
Real-time switch ASIC
3 Real-time channel IRT
„ Trasferimento hi-performance
„ Dati isocroni
„ Jitter <1μsec
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Il ciclo Real-Time
¾ La durata del ciclo di scambio dati PROFINET IO può essere
impostata secondi diversi criteri
• Unica per tutta la rete (tutti gli IO-Device usano lo stesso tempo)
• Specifica per ogni IO-Device
• Specifica per ogni IO-CR (ogni modulo interno ad ogni device ha
la sua durata del ciclo di scambio dati)
IO-Contr
IO-Dev 4
IO-Dev 3
IO-Dev 2
IO-Dev 1
IO-Dev 1
SendClock
Tempo
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PROFINET: soluzioni per il processo
Ridondanza in
PROFINET IO
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Ridondanza a basso livello
¾ La ridondanza (livello 2) 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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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: funzionamento MRP (Media Redundancy Protocol)
¾ PROFINET per default usa l’MRP
¾ Il tempo massimo per il switchover è 200 ms
¾ Attraverso il protocollo LLDP ogni
Porte
stazione conosce i suoi vicini e
ridondate
sa se la ridondanza è attivata
¾ I dati di processo viaggiano
solo sul percorso selezionato
dall’ RM
Stazione 2
Managed Switch
Sorgente
Station 1
Process Data
Stazione 3
Stazione 8
Stazione 7
Test Frame
¾ L’RM verifica l’integrità dell’anello
inviando dei test frame
Stazione 4
Redundnacy
manager
Stazione 6
Stazione 5
Destinazione
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PROFINET: soluzioni per il processo
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)
PNIOController
Host /Controller Link
non è parte
delle specifiche
PROFINET
PNIOController
PROFINET IO
network
2 connessioni logiche
PNIO-Device
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PROFINET: soluzioni per il processo
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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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Ridondanza con NAP singolo
¾ NAP S2: ridondanza a livello software interno all’IO-Device
¾ SRL: System Redundancy Layer (nell’ IO-Device)
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Ridondanza con NAP ridondato
¾ NAP R1: una AR per ogni accesso alla rete
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Ridondanza con NAP ridondato
¾ NAP R2: due AR per ogni accesso alla rete
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PROFINET: soluzioni per il processo
“Configuration in Run”
per PROFINET IO
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Configuration in Run - CiR
¾ Cambiare la configurazione ad un dispositivo senza fermare la rete
¾ Si basa sulla realizzazione di una connessione secondaria (CiR-AR)
mentre la primaria continua ad esistere
¾ Completato l’avvio e la configurazione della relazione alternativa,
l’IO-Controller commuta
¾ Successivamente la connessione originaria può essere eliminata
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PROFINET: soluzioni per il processo
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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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
Integrazione di altri bus di
campo in PROFINET IO
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET estende l’integrazione
¾ Integrazione con gli altri bus di campo grazie alla tecnologia Proxy
¾ Integrazione “trasparente” senza necessità di programmazione
¾ Ancora una volta protezione degli investimenti !
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: L’obiettivo è il proxy universale
¾ Concetto di Proxy universale e customizzabile
IO-Controller
4
5
Tool di configurazione
del controller
6
Connect:
Combinazione di I/O
Write:
Parametri utente
GSD
3
Tool di configurazione
del proxy
7
Scambio dati con
un qualunque bus di campo
1
2
Qualunque
linguaggio
di descrizione
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO per l’automazione di processo
¾ Scambio dati a tutti i livelli della fabbrica
ERP
MES
Ethernet
backbone
DCS
PROFIBUS DP
1
2
3
PROFIBUS PA
4
PROFINET
5
6
7
8
…
16
1
2
3
HART
5
6
PROFINET PROXY
1
2
3
4
7
8
…
FF H1
4
16
5
6
7
8
…
16
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
Nuove architetture con
PROFINET IO
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PROFINET: soluzioni per il processo
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
IO-Controller 2
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: “Intelligent device”
¾ Dialogo tra controllori
• Un dispositivo può essere contemporaneamente
IO-controller e IO-Device
¾ I controllori possono essere
gestiti in progetti separati
IO-Controller 1
CPU1
¾ I dati scambiati sono
direttamente nella memoria
dei controllori
IO-Device 1
CPU2
¾ Non sono necessari
accoppiatori per separare due reti
IO-Controller 2
IO-Device 2
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: “Intelligent device”+ “Shared device”
¾ Combinazione delle precedenti architetture
¾ Flessibilità e semplicità
IO controller 1
IO controller 1
IO controller 2
(local)
IE / PROFINET
IE / PROFINET
I-Device + Shared Device
IO device 1
Sottosistemi separati
“Translucent I/O”
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Riconoscimento automatico della topologia
¾ I dispostivi PROFINET IO supportano il protocollo LLDP che permette
di ricostruire la topologia della rete (anche dopo averla cablata)
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO: Sostituzione di un dispositivo difettoso.
¾ Rimuovere il dispositivo difettoso
¾ Rimuovere la scheda di memoria non volatile
¾ Sostituire il dispositivo con quello
nuovo e funzionante
¾ Reinserire la scheda di memoria
¾ Riavviare il sistema: il controller
riassegna l’indirizzo IP e il dispositivo
è di nuovo pronto
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIsafe
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIsafe: sicurezza funzionale a tutti i livelli
¾ La sicurezza funzionale è un requisito irrinunciabile …
¾ … ma è anche un grosso vantaggio
Personale
Impianti
Ambiente
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
La soluzione è PROFIsafe
¾Caratteristiche principali di PROFIsafe
¾ Funzioni standard e di sicurezza su un unico cavo: un solo
sistema di sviluppo = riduzioni costi
¾ Certificato SIL 3, AK6 e CAT 4 nella EN954-1
¾ Basato su IEC 61508 e IEC 61511
PLC con
funzione
fail-safe
Componente
standard
Sicurezza per mezzo di software
aggiuntivo in ogni componete
Componente
fail-safe
I/O
Fail-safe
I/O
Standard
Dispositivo
failsafe
Azionam.
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIsafe: Come funziona
Applicazione
sicura
Applicazione
Standard,
e.g. diagnostica
Applicazione
Standard,
e.g. diagnostica
Livello
PROFIsafe
Livello
PROFIsafe
Protocol
Standard
Applicazione
sicura
Livello
PROFIsafe
Protocol
Standard
“Black
Channel"
Messaggio standard PROFIBUS o PROFINET IO
S
PROFINET IO, PROFIBUS-DP, Backplane
F Input/Output Data
S
S
Status /
Control Byte
S
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 for a max. of
123 Bytes F I/O data
PROFIsafe Container = dati “sicuri”
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIsafe: Sicurezza funzionale su tutto il percorso
IO
Controller
FHost
Intrinsic Safety
(Ex-i)
Oppure con RS485-IS
Es. per valvole ESD ad alta velocità
PROFINET IO
PN IO/
DP
Link
Local bus
RS485
MBP-IS
DP-PA
Link
PA Device
Actuator
F F
D D
I O
Remote I/O
PN IO
MBP-IS
RS485
F-DI
F-DO
F-AI
PA Device
D
e
v
i
c
e
F
A
I
F
Device
PROFINET IO transmission
Data transmission for explosion-proof areas
High speed data transmission
Fail-safe digital input
Fail-safe digital output
Fail-safe analog input
Device according process automation device model (IEC 61804)
PA Device model
acc. IEC 61804:
- Physical Block
- Function Block(s)
- Transducer Block
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIsafe + Shared Device
¾ Originariamente sistema di sicurezza e automazione sono su due reti
separate. Il dialogo avviene con linee IO convenzionali
¾ Ora è possibile mescolare moduli sicuri e moduli normali sullo stesso
shared-device. Ogni controller comanda solo i suoi IO.
¾ Il PLC di sicurezza ha un suo progetto separato.
IO controller
F-IO controller
IO controller
F-IO controller
IE / PROFINET
PN / PROFIsafety
DO
DI
F-PM
PM
DO
PM
DI
F-DI
IE / PROFINET
DO
PM
F-DI
F-PM
PN / PROFIsafety
IO Device
as Shared
Device
E-Stop
E-Stop
K1
External
Power Supply
External
Power Supply
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET
Wireless
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PROFINET: soluzioni per il processo
Wireless: flessibilità dell’architettura
¾ L’utilizzo di tecnologie wireless libera dai vincoli del cavo
¾ Facile scalabilità, manutenzione ridotta
¾ Soluzioni wireless hanno specifiche diverse per
l’automazione di processo e di fabbrica
• Automazione di processo: lunghi tempi di ciclo, range
esteso, consumo ridotto al minimo
• Automazione di fabbrica: brevissimi tempi di ciclo,
certezza del trasferimento dei dati
¾ PROFINET IO utilizza:
• WirelessHART per il processo
• WiFi e Bluetooth per l’automazione di fabbrica
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFINET IO:esempio di Proxy verso WirelessHART
¾ WirelessHART è l’estensione wireless del popolare HART
¾ WirelessHART è l’unico standard wireless per il processo
con prodotti disponibili
¾ PROFIBUS International ha costituito il “Wireless Cooperation Team”
per permettere ai prodotti WirelessHART di essere integrati con
reti PROFINET e PROFIBUS
HART ID
DP-Addr
DPM
PB
1
8
HART
Sensor
6
4
HART
Actor
HART ID
HART ID
HART ID
HART
Sensor
2
HART
Sensor
HART
Sensor
DP-Addr
FB
DP-Addr
DP-Addr
DPS
0 1 2 3 4 5 6 7 89
Slots
WCT
Wireless Cooperation Team
7
DPM
1 2 3 4
Real structure
5
1
2
HART ID
WirelessHART
1
HART
HART
Adapter
HART ID
3
HART
Actors
7
HART ID
Link
HART ID
DP-Addr
DPS
2
DP-Addr
1 2 3 4
Virtual structure
Modular
model
HART
COMMUNICATION FOUNDATION
3
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PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIenergy
“PROFINET per i sistemi
ad elevata
efficienza energetica”
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20
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIenergy: il profilo per il risparmio energetico
¾ Solo soluzioni rapide e semplici sono applicabili nella realtà
Costruttori
di macchine
ƒ Facilità di approccio con l’uso di famiglie di prodotto e meccanismi di
progettazione noti
ƒ Protezione degli investimenti tramite l’espansione di programmi esistenti
ƒ Basse richieste di programmazione grazie ai blocchi funzionali
Proprietari di
impianto
ƒ Vantaggio competitivi con il marketing legato alle macchine a basso consumo
ƒ Risparmio di energia spegnendo i carichi non richiesti
ƒ Riduzione dei costi di produzione per mantenere competitività
ƒ Rispetto dei protocolli/accordi/vincoli di protezione dell’ambiente
ƒ Protezione degli investimenti con l’aggiornamento degli standard
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PROFINET: soluzioni per il processo
Perché PROFIenergy? Soluzioni attuali sono poco efficaci
¾ Attivazione/disattivazione manuale
• Time consuming
• Avvio non affidabile
• Solitamente un solo “interruttore”
Controller
HMI
Hardware
supplementare
¾ Uso di hardware aggiuntivo
• Richiede spazio e investimenti
• Richiede progettazione e manutenzione
• Programmazione personalizzata
¾ Soluzioni discrete sono
spesso rifiutate, rinunciando,
come conseguenza,
alle possibilità di risparmio
DC24V
Distributed
I/O
Motion Control &
Drives
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PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
PROFIenergy: vantaggi
¾ PROFIenergy consente di risparmiare spegnendo i carichi non richiesti
¾ Cinque vantaggi
• Riduzione costi perché non è
richiesto hardware aggiuntivo
Controller
HMI
• Scelta non vincolata dei
componenti poiché lo standard
è vendor-independent
• Protezione degli investimenti
grazie all’integrazione senza
conseguenze negli standard
esistenti
• Risparmio di energia anche
durante pause brevi
• Affidabilità aumentata del
sistema grazie al
coordinamento
DC24V
Distributed
I/O
Motion Control &
Drives
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PROFINET: soluzioni per il processo
Conclusioni
¾PROFINET è una tecnologia aperta
• Scalabilità di prodotti e soluzioni
• Coesistenza piena con qualunque applicazione TCP/IP
• Ridondanza di rete e sistema per aumentare la
disponibilità
• Wireless per le soluzioni flessibili e innovative
• PROFIsafe per la sicurezza
• Leader del mercato
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2011 Copyright CSMT Gestione Scarl
- 030 6595111 - [email protected]
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Brescia - Centro di Competenza
PROFIBUS e PROFINET
PROFINET: soluzioni per il processo
Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET: Contatti
¾Email supporto:
¾ [email protected]
¾Segreteria CSMT con riferimento a:
¾ Sig.na Roberta Codenotti
Tel.: 030 3384030
E-mail: [email protected]
¾I contatti tecnici vengono tenuti da:
¾ Prof. Paolo Ferrari
Tel.: 030 3715445
E-mail: [email protected]
¾ Dr. Ing. Francesco Venturini, PhD
Tel.: 030 3715606
E-mail: [email protected]
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