PROFINET. Technology and Application. System Description. Open Solutions for the World of Automation

Transkript

1 PROFINET Technology and Application System Description Open Solutions for the World of Automation

2

3 Inledning Tack vare de allt kortare innovationscyklerna för nya produkter genomgår automationstekniken en ständig omvandling. Införandet av fältbussteknik under de gångna åren innebar härvid en väsentlig förnyelse. Det har gjort det möjligt att gå från centrala automationssystem till decentraliserade system. PROFIBUS är, som marknadsledare i mer än 15 år, föregångare i detta arbete. I dagens automatiseringsteknik bestämmer därutöver informationsteknologin (IT) med etablerad standard, som till exempel TCP/IP och XML, vad som sker. Genom en integration av informationsteknologin i automatiseringen öppnar sig klart förbättrade kommunikationsmöjligheter mellan automationssystemen, långtgående konfigurationsoch diagnosmöjligheter och nätövergripande servicefunktioner. Allt detta finns med redan från början i PROFINET. PROFINET är den öppna innovativa standarden för industriellt Ethernet. PROFINET fyller alla behov inom automationen. Med PROFINET finns det lösningar såväl för verkstadsindustrin som för processindustrin, för felsäkra applikationer och för hela skalan av drivteknologi ända upp till klocksynkron motion control. Förutom realtidskapacitet och IT teknologi är skyddet av tidigare investeringar i fältbussteknik en viktig uppgift för PROFINET. PROFINET gör det möjligt att integrera befintliga fältbussystem, som PROFIBUS utan ändring av de befintliga fältenheterna. Därmed skyddas investeringarna som gjorts av slutanvändare, maskin- och anläggningsbyggare liksom produkttillverkare. Att använda öppen standard, få ett enkelt handhavande och kunna integrera befintliga fältbussegment har varit viktiga delar i utvecklingen av PROFINET. PROFINET är internationell standard IEC och IEC Den fortsatta kontinuerliga utvecklingen av PROFINET ger användarna ett långtidsperspektiv för implementering i deras olika automationsanläggningar. För anläggnings och maskinbyggare ger PROFINET en minimering av kostnaderna för installation, konfigurering, programmering och drifttagning. För slutanvändarna och fabriksägarna möjliggör PROFINET hög tillgänglighet genom själständiga anläggningsdelar, enkel utbyggnad samt ger transparent kommunikation med kontroll på alla delar i anläggningen. Genom den nu etablerade certifieringen garanteras en högre kvalitetsstandard för PROFINET produkter.

4 Innehåll 1. PROFINET översikt Decentral I/O (PROFINET IO) Decental automation (PROFINET CBA) Kommunikation Nätverksinstallation IT integration Säkerhet Felsäkerhet Drivteknologi och motion control med PROFIdrive Fältbussintegration Implementering och certifiering PROFINET kommunikation TCP/IP och UDP/IP kommunikation Realtidskommunikation (RT) Isokron Realtidskommunikation (IRT) Decentral I/O med PROFINET IO Olika roller Fältenhetsmodellen Användarprocessen PROFINET IO tjänster Larm Konfigurering och parametrering Adresstilldelning GSD filen Byta enheter Distribuerad automation med PROFINET CBA Komponentmodellen PROFINET CBA konfigurering Skapa komponenter Komponentförbindelser Nerladdning av förbindelseinformationen Nätverksinstallation Nätverkstopologier PROFINET kablar Kabelkontakter Switchar Trådlöst IT integration Nätverksmanagement Webb tjänster OPC och PROFINET Säkerhet Hotbilder PROFINET:s säkerhetskoncept PROFINET och MES Funktioner i MES Underhållsstatus Identifikation Applikationsprofiler PROFIsafe för PROFINET PROFIdrive för PROFINET PROFINET profil för produkter inom processautomation (PA) Funktionsblock för kommunikation Andra profiler Fältbussintegration Integration i PROFINET IO Integration i PROFINET CBA Implementering i produkter Implementering av PROFINET IO Implementering av PROFINET CBA Certifiering, test- och utvecklingsverktyg Certifieringsprocessen Utdelande av certifikat Verktyg PI organisationen PI:s uppgifter Organiserandet av den tekniska utvecklingen Teknisk support Dokumentation Hemsida Ordlista...29

5 1. PROFINET översikt PROFINET är den innovativa automationsstandarden från PI för implementering av en integrerad och homogen automationslösning baserad på Industriellt Ethernet. Med PROFINET kan enkla decentrala I/O och tidskritiska applikationer integreras på Ethernet lika enkelt som decentrala automationssystem i form av komponentbaserad automation. 1.1 Decentral I/O (PROFINET IO) Decentrala I/O ansluts till styrsystemet med PROFINET IO. Härvid behålls den bekanta metoden för I/O från PROFIBUS, i vilken periferidata från fältenheterna överförs periodiskt till styrsystemets processmodell. PROFINET IO beskriver en modell för fältenheterna, som baseras på samma ram som för PROFIBUS, bestående av platser för moduler (slots) och grupper av I/O (subslots). De tekniska karakteristika för fältenheterna beskrivs i så kallade GSD-filer (General Station Description) på XML basis. Konfigurering och parametrering av PROFINET IO görs på samma sätt som systemintegratörer är vanda vid sedan många år med PROFI- BUS. De decentrala fältenheterna tilldelas till en eller flera styrsystem vid konfigureringen. Bild 1.1: Urval av PROFINET kommunikation maskiner. Detta reducerar väsentligt ingenjörskostnaderna. 1.3 Kommunikation PROFINET använder olika kommunikationsnivåer för olika behov: PROFINET baserat på en komponentmodell beskrivs av en PCD (PROFINET Component Description). Den är XML-baserad och kan skapas antingen med komponentgeneratorn, med ett tillverkarspecifikt konfigureringsverktyg eller med PROFINET komponent editorn. Hanteringen av decentrala automationsanläggningar är olika för programmeringen av styrlogiken i de enskilda teknologiska modulerna (tillverkarberoende konfigureringsverktyg) och den teknologiska konfigureringen av den övergripande anläggningen och därmed kommunikationen mellan de teknologiska modulerna. PROFINET överför icke tidskritiska data som parametrar, konfigurationsdata och kopplingsinformation via standard överföringskanal med TCP UDP och IP. Detta ger basen för anslutningen av automationsnivån till andra nätverk (MES, ERP). För överföring av tidskritiska processdata inom produktionsanläggningen används realtidskanalen RT. För speciellt krävande uppgifter kan den hårdvarubaserade kommunikationskanalen Isokron Realtid (IRT) användas till exempel för Motion Control applikationer och applikationer med höga krav på hastighet och precision. 1.2 Decentral automation (PROFINET CBA) PROFINET:s komponentmodell är effektiv för decentrala automationsanläggningar. Den är idealisk för intelligenta fält- och automationsenheter med programmerbar funktionalitet. Komponentmodellen beskriver självständiga maskinmoduler eller anläggningsmoduler. Ett distribuerat automationssystem utvecklat med teknologiska moduler som bas förenklar en modulär uppbyggnad av anläggningar och maskiner och därmed också återanvändningen av anläggningsdelar och enskilda Fyllning Mekanik Intelligent fältenhet Styrprogram Bild 1.2: Mekanik, elektronik/elutrustning och styrprogram kombineras och utgör en teknologisk modul PROFINET Teknisk beskrivning, version April

6 1.4 Nätverksinstallation PROFINET nätverksinstallation baseras på Ethernet med de speciella krav som en industriell miljö ställer. Industriellt Ethernet bygger på switchar och dubbelskärmad kabel och har klara regler för hur tillverkarna skall utforma interfacen. I "Installation Guideline PROFINET " finns information med enkla och välbeprövade regler för installation av Ethernetnätverk. 1.5 IT integration Nätverksmanagement täcker alla funktioner för administrering av PROFINET enheter i Ethernetnätverk. Det inkluderar konfigurering och diagnos av såväl anslutna produkter och själva nätverket (till exempel SNMP). Webbintegration av PROFINET sker med Ethernet-baserad teknologi och gör att man kommer i kontakt med PROFINET komponenterna med standard Internet teknologi. PROFINET har en öppen kommunikation till andra system med den öppna standarden OPC. 1.6 Säkerhet De säkerhetskoncept som är tillgängliga från kontorsvärlden är inte tillräckliga för de speciella förhållanden som råder inom automationsområdet. Därför behövdes en utveckling av ett säkerhetskoncept för automation. PROFINET:s säkerhetskoncept kan hantera det ökade behovet av nätverkssäkerhet i Ethernetbaserade automationssystem. Det uppfyller kraven på accesskontroll, datakryptering, behörighetskontroll och loggning av säkerhetsrelaterade händelser. 1.7 Felsäkerhet PROFIsafe definierar hur felsäkra produkter (nödstopp, ljusridåer, överfyllnadsskydd mm.) kan kommunisera felsäker information med styrsystem över ett nätverk tillräckligt säkert för att användas i en felsäkert automationapplikation upp till EN954's KAT4, AK6, respektive SIL3 (Safety Integrity Level). PROFIsafe profilen implementerar säker kommunikation med hjälp av standard PROFINET IO. Tolkningen av processdata definieras i profilen. 1.8 Drivteknologi och motion control med PROFIdrive Drivprofilen PROFIdrive beskriver drivinterfacet från styrsystemets sida tillsammans med dess mappning i kommunikationssystemen PROFIBUS och PROFINET. PROFIdrive profilen täcker applikationsscenarier från enkla frekvensomformare till komplexa dynamiska servodrifter. Den skalbara funktionaliteten har delats upp i sex applikationsklasser. 1.9 Fältbussintegration PROFINET har en modell för integrering av befintliga fältbussar som PROFIBUS, AS-Interface, och INTERBUS. Detta ger möjlighet att bygga upp valfritt mixade system bestående av fältbuss- och Ethernet-baserade segment. Därmed är en mjuk teknologiövergång från fältbussbaserade system till PROFINET möjlig. För att skydda de omfattande investeringar som gjorts i fältbussystem krävs ett stöd för enkel integration av dessa i PROFINET. Integrationen görs med så kallade "proxies". En proxy är enhet som ansluter en underliggande fältbuss till PROFINET. Proxykonceptet ger produkttillverkare liksom anläggnings- och maskinbyggare och även slutanvändare ett bra investeringsskydd Implementering och certifiering För att PROFINET produkter av olika typ och från olika tillverkare skall kunna kommunicera felfritt förutsätts att tillverkarna gör implementeringen av kommunikationsprotokoll och applikationsprofiler i enlighet med standard. För att bevisa kvalitén hos PROFI- NET produkter finns ett certifieringsförfarande. Ett PROFINET certifikat bevisar att produkten uppför sig enligt standard när den ansluts i ett PROFINET nätverk, såsom det definierats i IEC PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

7 2. PROFINET kommunikation PROFINET använder Ethernet och TCP/UDP med IP som bas för kommunikationen. TCP/UDP med IP är vad det gäller kommunikationsprotokoll en de facto standard i IT-världen. Det är emellertid inte möjligt med hänsyn till interoperabilitet att etablera en gemensam TCP/UDP-baserad kommunikationskanal (nivå 4) i fältenheterna. Detta på grund av det faktum att TCP/UDP/IP endast ger en bas för Ethernet enheter att utbyta data genom en transportkanal i lokala och distribuerade nätverk. Ytterligare specifikationer och protokoll, så kallade application protocols, är därför nödvändiga på en högre nivå än TCP/UDP. Interoperabilitet kan man bara klara om samma applikationsprotokoll används för alla enheter. Typiska applikationsprotokoll är till exempel SMTP (för ), FTP (för filöverföring) och HTTP (använt på Internet). De olika applikationsområdena inom industriell automation kräver mycket olika av kommunikationen. Detta spänner från icke tidskritisk via realtidskommunikation till klocksynkron reglering. För icke tidskritiska processer använder PROFINET TCP/IP och UDP/IP. I industriapplikationer är det dock i allmänhet otillräckligt. Här ställs avsevärt större krav på bandbredd och klocksynkronisering. Datautbyte optimerat för högre prestanda kallas Realtidskommunikation (RT), den klocksynkrona kommunikationen kallas Isosynkron Realtid (IRT). PROFINET ger skalbar datakommunikation. De globalt etablerade Ethernet Ethernet är standardiserat i IEEE Specifikationen inkluderar accessteknologi, överföringsprocess och överföringsmedia för Ethernet (10 Mb/s), Fast Ethernet (100 Mb/s) och Gigabit Ethernet (1 Gb/s). PROFINET använder Fast Ethernet. Fast Ethernet omfattar och standardiserar full-duplex och switchning. Bild 2.1: Det skalbara PROFINET kommunikation för varje applikation standard IT tjänsterna kan användas lika enkelt som kommunikation optimerad för hastighet. Denna samexistens av Realtid och TCP- /IP-baserad kommunikation mellan PROFINET fältenheter kan ske samtidigt och på samma busskabel. Följande exempel förklarar de grundläggande mekanismerna för TCP/IP och RT kommunikation för PROFINET CBA och PROFINET IO. 2.1 TCP/IP och UDP/IP kommunikation För icke tidskritiska processer använder PROFINET kommunikation med standard Ethernet mekanismer över TCP/IP eller UDP/IP enligt den internationella standarden IEEE På samma sätt som för standard Ethernet adresseras PROFINET fältenheter med hjälp av en MAC och en IP adress. I TCP/IP- och UDP/IP-kommunikation känns olika nätverk igen på deras IP-adress. Inom ett nätverk är MAC-adressen ett unikt kriterium för adressering av mottagaren. PROFINET fältenheter kan anslutas till IT-världen utan inskränkningar. En förutsättning för detta är att den tjänst man vill använda, till exempel filöverföring(ftp), implementeras i den aktuella fältenheten. Här kan det skilja mellan olika tillverkare. Kännetecknande för TCP/IP och UDP/IP är: Upptäckt av telegramförluster med konfirmeringsmekanismer Repetition av telegram om konfirmeringen uteblir Flödeskontroll, det betyder att mottagaren kan styra telegramfrekvensen hos sändaren. Det gör att sändaren inte skickar ett nytt telegram förrän det förra blivit konfirmerat Alla PROFINET fältenheter måste stödja datakommunikation över UDP/IP. TCP TCP garanterar felfri, segmenterad, komplett överföring av data från sändare till mottagare. TCP är förbindelseorienterat, vilket betyder att två stationer etablerar en förbindelselänk innan data överförs och förbindelselänken stängs ner efter att överföringen är klar. TCP inkluderar mekanismer för kontinuerlig övervakning av den etablerade förbindelsen. UDP Liksom TCP, garanterar UDP felfri, segmenterad, komplett överföring av data från sändare till mottagare. Till skillnad från TCP är UDP emellertid förbindelselös, vilket betyder att varje datapaket behandlas som en idividuell överföring och det sker ingen transportkonfirmering. Uteslutandet av time out övervakning och etableringen respektive stängningen av förbindelsen gör UDP snabbare och mer lämpad för tidskritiska applikationer än TCP. Datablockeringen och förbindelseövervakningen, som ingår i TCP, kan utföras i UDP på applikationsnivån, till exempel genom RPC (Remote Procedure Call). PROFINET Teknisk beskrivning, version April

8 2.2 Realtidskommunikation (RT) Datakommunikation över TCP/IP och UDP/IP kanalerna förses med en viss mängd administrativ- och styrinformation för adressering och flödeskontroll. Allt detta slöar ner datatrafiken. För att åstadkomma realtidskapacitet för cykliskt datautbyte väljer PROFINET att inte utnyttja alla delar av IP adressering och flödeskontroll med TCP och UDP för RT-kommunikation. Ethernets kommunikationsmekanism (nivå 2 i ISO/OSI-modellen) är mycket väl lämpad för detta. RT kommunikation kan alltid löpa parallellt med icke-rt (NRT) kommunikation. RT-kommunikation med PRO- FINET kan ske på följande sätt: RT-kommunikation inom ett nätverk. Vid denna typ av kommunikation behövs ingen adressinformation om mottagarnätverket. Den administrativa informationen för TCP/IP eller UDP/IP elimineras. RTtelegrammen identifieras redan vid mottagandet med hjälp av Ethertypen (0x8892) och behandlas i RT kanalen. Med RT kommunikation når man busscykeltider på några få millisekunder. RT kommunikation mellan nätverk. I vissa lägen, till exempel vid utbyggnad, är det nödvändigt att utbyta data över nätverksgränserna. Denna nätverksövergripande kommunikation kräver adressinformation om det mottagande nätverket (IP-adressen). För dessa applikationer finns "RT över UDP". Multicast dataöverföring med RT. För cyklisk dataöverföring till många noder och för direkt dataöverföring mellan IO-enheter används Ethernet Multicast. Nätverksövergripande MCR data använder "RT över UDP" för datautbytet. Prioritering av datatrafiken Realtidskommunikation sker med prioriterad överföring av RTtelegrammen. Detta sker med VLAN variabeln definierad i IEEE802.1Q. Med den kan 7 prioritetsnivåer konfigureras. TCP/IP, UDP/IP och RT kommunikation kan implementeras med valfri standard Ethernet styrkrets. 2.3 Isokron Realtidskommunikation (IRT) För speciellt krävande uppgifter finns hårdvarubaserad Isokron Real-Tid (Isochronous Real-Time, IRT). Den används till exempel för Motion Control applikationer och i vekstadsapplikationer som kräver hög prestanda. IRT kommunikation baseras på följande: Kommunikationen sker uteslutande i ett nätverkssegment. Busscykeln delas in i en IRTfas (rött intervall) och en följande icke isokron fas (grönt intervall, se bild 2.2). Under IRT fasen måste det ske en synkronisering. Till det används PTCP-protokollet i PROFINET i enlighet med IEC Noggrannheten i tidssynkroniseringen beror i viss mån på applikationen men är i allmänhet <1 µs. IP Dataöverföring med internetprotokoll (IP) är ingen garanterad paketöverföring (datagram) mellan en IP-källa och en IP-destination. Datatelegram kan gå förlorade på grund av störningar i överföringskanalen eller överlast på nätet, de kan mottagas flera gånger eller anlända i en annan ordning än de sändes. Man kan dock utgå ifrån att ett mottaget telegram är korrekt. Tack vare en 32-bitars checksummekontroll för Ethernetpaketet upptäck eventuella fel i paketet med mycket stor säkerhet. Speciellt hårdvarustöd behövs för IRT-kommunikation i form av ASICs med integrerad switchfunktionalitet och cykelsynkronisering. Sändintervallen från fältenheterna kan flexibelt väljas av användaren. Övergången mellan intervallen övervakas av hårdvaran. Övergången från det "gröna" intervallet till det "röda intervallet" kallas det "orange intervallet". I detta intervall avgör ASIC:en om ett TCP/IP- och UDP/IP- telegram kan skickas vidare utan att nästa röda intervall fördröjs. Om IRT kommunikation behövs i en installation måste bandbredden delas upp redan vid konfigureringen i en IRT-del och en del som inkluderar TCP/IP, UDP/IP och RT. Bild 2.2: IRT kommunikation är uppdelat i en IRT-kanal och en öppen kanal. 4 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

9 3. Decentraliserade I/O med PROFINET IO PLC eller annan IO-Controller Programmeringsenhet / PC IO-övervakning Den direkta anslutningen av decentrala I/O till Ethernet i en automationsinstallation görs med PROFINET IO. Fältenheterna kan antingen ha digitala eller analoga ingångs- och utgångssignaler, eller ta över förberedande processfunktioner. Fokus för PROFINET IO är dataöverföring optimerad för kapacitet men med enkel kommunikationsutrustning. Tack vare år av erfarenhet och intresset av att skydda existerande investeringar har användarinterfacet från PROFI- BUS konceptet använts. Det viktigaste är: användandet av samma I/Omoduler som för PROFIBUS, samma installationsförfarande och samma programmering av fältenheterna. För datautbytet var några få utökningar nödvändiga efter krav från användare: Prioritering av datautbytet mellan olika fältenheter Access från flera styrsystem till samma fältenhet Beskrivning av konfigurering av sammansatta fältenheter i en och samma GSD fil Utökning av PROFIBUS DP fältenhetsmodell Applikationsprogram med access till processignalerna via PLC:ns processavbild Konfiguration Produktionsdata Nutzdaten Larm Alarme Fältenhet IO-enhet IO-övervakning En PROFINET IO-övervakning (IO- Supervisor) kan vara en ingenjörsstation i en anläggning, som har tillfällig access till fältenheterna under konfigureringsfasen. IO-enhet En PROFINET IO-enhet (IO-Device) är en decentralt ansluten fältenhet nära processen. Den konfigureras av en IO-Controller eller en IO-Supervisor och skickar processdata periodiskt till IO- Controller. En IO-enhet kan ha kommunikationsförbindelser till multipla IO-styrenheter och IOövervakare samtidigt. PROFINET IO följer under datautbytet Producent/Konsument-modellen. Producenten tillhandahåller data och konsumenten bearbetar data. Diagnose Diagnostik Status/Steuern Status/Kontroll Parametrierung Parameterering Läsa och skriva der Prozesssignale IO data Konfigurering Anläggningsdiagnostik Ethernet Bild 3.1:Kommunikationsvägar i PROFINET IO mellan olika typer av deltagare 3.2 Fältenhetsmodellen Fältenheter har till uppgift att samla in eller skicka ut processignalerna i ett automationssystem. För att göra detta behöver de en viss form av intelligens, funktionalitet, integrerad av tillverkaren antingen i fastställd form eller konfigurerbar. Fältenheterna kan därför delas upp i följande varianter: Kompakta enheter är fältenheter med fast, icke ändringsbar, kapacitet för utbyte av processdata. Modulära enheter är fältenheter vars egenskaper anpassas till applikationen vid konfigurationen. 3.1 Olika roller IO-Styrenhet IO-Övervakning PROFINET IO skiljer, på samma sätt som PROFIBUS, mellan enheternas olika roller. En enhet kan ha multipla roller. IO-Styrenhet En PROFINET IO-styrenhet (IO- Controller) styr en process fördelad på en eller flera fältenheter. Den samlar in processdata och larm och bearbetar dem i ett användarprogram. I automationsinstallationer är en IO-styrenhet normalt en PLC, ett DCS-system eller en PC. Den ansvarar för etableringen av kommunikationskanalerna under uppstart. Innehåll I/O-Data Larm Registerdata Diagnostik I/O-Data Larm Registerdata API = 0 Innehåll I/O-Data Larm Registerdata API = 2 Data Registerdata API = x PROFINET IO API = 0 Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 3 Bild 3.2: PROFINET IO fältenhetsmodell IO-Enhet PROFINET Teknisk beskrivning, version April

10 Applikationslagret för PROFINET IO beskriver både modulära och kompakta enheter. De beskrivna modulerna representerar fysiska platser (slot). En "slot" kan innehålla en eller flera subslot och dessa kan i sin tur ha 1 till n kanaler. Ingångs- och utgångsstrukturen mappas till dessa kanaler och är fastlagda av tillverkaren. Slot En slot är den fysiska plats där en periferimodul skall sättas in i en I/O-enhet. Olika subslot är lokaliserade i respektive slot och innehåller data för det cykliska datautbytet. Tillverkaren av en fältenhet bestämmer egenskaperna och kapaciteten för en modul. Tekniska data är inskrivna i GSDfilen. Subslot PROFINET stöder subslots, som är ett extra adresseringslager. Varje slot måste ha minst en subslot bestående av 1 till n kanaler. Detta gör att till exempel kanaler som hör ihop kan grupperas. Beskrivningen läggs in i GSD-filen av tillverkaren. Index Index anger de data som hör till en specifik subslot och som skall läsas eller skrivas till acykliskt. Accessmöjligheterna bestäms av definitionen av en slot och dess subslots. De kan fördelas på olika IO-Controller, men varje subslot kan endast mappas till en IO- Controller vad gäller skrivning och larm. Läsaccess för ingångar är tillåtet från multipla IO-Controller. För enkel integrering av applikationsprofiler (PROFIdrive m.fl.) har PROFINET IO speciella adresselement så kallade API (Application Programming Interface). Det är också möjligt att använda olika API för att åstadkomma multipla applikationsprofiler i en enhet. IO-Controller/ Supervisor Standard/UDP Parameter Konfigdaten Read/Write Standard/TCP CR: Communication Relation AR: Application Relation Realtidskanal Acykliska processdata Nutzdaten AR (Application Relation) som hör till respektive förbindelse innehåller alla data som behövs för detta datautbyte. Den kan konfigureras flexibelt. Ett extra API tilldelas varje AR för att möjliggöra en finare uppdelning av applikationen (se bild 3.3). En AR kan omfatta multipla kommunikationsrelationer (CR). Följande CR är därigenom möjliga för varje AR: En eller flera I/O-CR (dessa delas upp i ingångar, utgångar och multicast) Larm-CR för att skicka händelser Registerdata-CR för att utbyta data acykliskt från dataregister Echtzeitkanal Alla IO-Controller/IO-Supervisor kan skapa en AR till en eller flera IO-Device. En IO-Device kan utbyta data med många IO-Controller. Konkurrerande skrivaccess till samma data förhindras av IOenheten. Registerdata Record CR IO data CR Alarm Larm CR Applikationrelation Echtzeitkanal Realtidskanal Alarme Larm Bild 3.3: Med PROFINET IO kan I/O data sändas i olika busscykler Sändcykel t.ex. 2 ms (Reduction Ratio * SendClockFactor) IO-Device 3.4 PROFINET IO tjänster Cykliskt datautbyte För cykliskt utbyte av processignaler och högprioriterade larm använder PROFINET IO RT kanalen. PROFINET IO använder följande alternativ för överföring av data: RT kommunikation inom ett nätverk: För denna kommunikation med hög prestanda används den snabba RT kanalen enbart, vilket betyder att UDP/IP inte används. (Ethertype 0x8892). RT kommunikation mellan nätverk: För denna kommunikation används kombinerat den snabba RT kanalen (Ethertype 0x8892) och protokollmekanismerna i UDP/IP. IRT kommunikation för deterministisk och klocksynkron dataöverföring. 3.3 Användarprocessen För att kunna utbyta cykliska och acykliska data mellan en IO-Controller/IO-Supervisor och en IO- Device, måste de kommunikationskanaler som behövs skapas av IO- Controllern vid systemets uppstart. En förbindelse skapas av IO-Controllern baserat på de data som den får av ingenjörsstationen. Fas 1 = SendClockFactor * 31,25 µs Fas 2 Telegram 1 RR = 1 2 RR = 2 FrameSendOffset n 1 n x RR = 2 Fas Bild 3.4: Med PROFINET IO, kan I/O data sändas med olika busscykeltid. 6 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

11 Multicast datatrafik (MCR= Multicast Communication Relation) baserat på RT eller IRT kommunikation och består av en producent, som publicerar data på bussen, och en eller flera konsumenter som använder datan. Datautbytet mellan IO-Device och IO-Controller sker enligt en pollningscykel som konfigureras av IO- Controllern. Uppdateringscykeln från IO-Controller till IO-Device specificeras under konfigureringen med ingenjörsverktyget. Det ingår en ömsesidig övervakning av det funktionella driftläget (watchdog funktion). Alla cykliska data har subslotsuppdelning och förses med statuskodning av giltigheten för datan. Till skillnad från PROFIBUS, kan överföringen i PROFINET IO optimeras avseende frekvens, det vill säga att data kan sändas i olika faser (se bild 3.4). För att åstadkomma detta definierar PROFINET IO en reduktionsfaktor (reduction ratio). Den bestämmer hur ofta specifik data skall sändas. Acykliskt datautbyte (registerdata) Användaren kan läsa och skriva information (read/write tjänster) acykliskt. Följande tjänster utförs acykliskt i PROFINET IO: Parametrering av de enskilda submodulerna under systemets uppstart Läsning av diagnostikinformation Läsning av identifikationsinformation enligt profilen "Identification and Maintenance (I&M) functions" Läsning av I/O data Vilka data som kan läsas acykliskt bestäms vid adresseringen av index. Några tjänster är standardiserade. Alla andra tjänster måste implementeras på användarbasis. 3.5 Larm PROFINET IO skickar händelser inom automationsprocessen som larm, som måste kvitteras av applikationsprocessen. Dessa omfattar både systemhändelser (som borttagande eller insättning av moduler) och användardefinierade händelser (som till exempel spänningsbortfall), vilka upptäckts av styrsystemet men kan även vara händelser i processen (till exempel för högt panntryck). Man skiljer mellan följande händelser/larm: Processlarm: Händelser noterade i processen och skickade till styrsystemet. Diagnostiklarm: Händelser som indikerar fel hos en fältenhet. Underhållslarm: Meddelanden för att överföra information så att haveri kan undvikas genom förebyggande underhåll. Tillverkarspecifik diagnostik PROFINET definierar en standarduppsättning larmorsaker: Pull and plug larm uppstår hos modulära fältenheter när en modul tas ur (pull) eller sätts tillbaka (plug). Larm för återkommande submodul uppstår när en IO enhet åter förmedlar data från en modul där data saknats. Larmen kan unikt identifieras genom att de är knutna till en slot/subslot. Diagnostik- respektive processlarm kan ges olika prioritet av användaren. 3.6 Konfigurering och parametrering Varje PROFINET IO fältenhet beskrivs i en GSD-fil (General Station Description). Dessa tillhandahålles av tillverkarna. IO enheten konfigureras som en del av den decentrala periferin till ett automationssystem baserat på innehållet i GSD-filen. Samtidigt integreras den, korrekt konfigurerad och parametrerad, i PROFINET topologin (Bild 3.5 (1)). När konfigurerings- och parametreringsfasen är avslutad laddas data för periferin till IO Controllern (Bild 3.5 (2)). Datautbytet med IO enheten sköts sedan självständigt av IO Controllern (Bild 3.5 (3)). 3.7 Adresstilldelning I IP-baserad kommunikation adresseras alla fältenheter med en IP adress. PROFINET använder DCP (Discovery and Configuration Protocol) för IP tilldelningen. Vid fabrikskonfigureringen får varje fältenhet bland annat en MACadress och ett symboliskt namn lagrat i enheten. Denna information är tillräcklig för att ge varje fältenhet ett unikt namn (anpassat till applikationen). Adresstilldelningen sker i två steg. 1. Tilldelning av ett unikt anläggningsspecifikt namn till fältenheten. 2. Tilldelning av IP adress till fältenheten görs av IO-Controllern innan systemuppstart baserat på det anläggningsspecifika (unika) namnet. Båda stegen sker med det integrerade standardprotokollet DCP. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

12 3.8 GSD filen Alla fältenheter måste beskrivas avseende deras tekniska och funktionella egenskaper i en GSD-fil (General Station Description) tillhandahållen av tillverkaren. Den är XML-baserad och skriven med språket GSDML (General Station Description Markup Language). Den innehåller alla data som IO- Controllern behöver för konfigurering, parametrering och datautbyte. Där ingår till exempel: Beskrivning av enskilda ingångs- och utgångsuppsättningar Förteckning över vilka I/Omoduler som kan användas i slot De parametrar som behövs för att fältenheten skall fungera på rätt sätt Diagnostiken som fältenheten kan ge och en förklaring av den Beskrivning av multipla enheter i en familj. OUI (Organizationally Unique Identifier) Alla PROFINET-fältenheter adresseras utifrån en MAC-adress. Det är en globalt unik adress. Företagskoden (bit ) får man mot en avgift från IEEE: avdelning för standard. Denna del kallas OUI (Organizationally Unique Identifier). PI tillhandahåller MAC adresser till alla tillverkare som inte vill ansöka om en egen OUI, den består av PI:s OUI och en tillverkarspecifik del (bits 23 0). Med denna tjänst kan företagen beställa MAC-adresser från PI Support Center. Tilldelning av OUI sker i steg om 4k. PI:s OUI är 00-0E-CF och uppbyggnaden framgår av tabellen nedan. Denna OUI kan användas för upp till 16,777,214 noder. Bit Bit E C F X X X X X X Företagskod (här PI) Innehållet i GSD filen följer den internationella standarden ISO En GSD-fil för PROFINET IO kan beskriva en hel familj av fäljenheter (multippel bussinterface och periferimoduler). För varje bussinterface (Device Access Point, eller DAP), som familjen har, kan tillverkaren ange en serie periferimoduler. GSD-filerna görs på flera språk. Serienummer För att enkelt kunna identifiera en fältenhet har PROFINET IO definierat en produktidentifikation. Den består av en företagskod (Vendor_ID) och en från tillverkaren specifik kod (Device_ID). Vendor_ID är unik för varje företag och bestäms en gång av PI Support Center. Device_ID kan bestämmas tillverkarspecifikt. PI tillhandahåller mallar för att skapa GSD-filer och själva GSDML specifikationen. Det finns också en GSD-viewer för att läsa och validera en GSD-fil. 3.9 Byta enheter Innan systemuppstarten måste varje IO-enhet tilldelas ett unikt namn (se kapitlet om adresstilldelning). Detta för att IO-enheten skall accepteras i bussystemet. Bild 3.5: Från konfigurering till datautbyte Konventionella IO-enheter har all nödvändig information i ett utbytbart minneskort. När man byter enheten flyttas kortet över. 8 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

13 4. Distribuerad automation med PROFINET CBA PROFINET CBA är ett föregångskoncept för industriell automation som uppfyller kraven från anläggningsbyggare och operatörer på en systemövergripande och tillverkaroberoende processautomatisering. Fullständig integration av existerande fältbussystem och Ethernet är en viktig aspekt i kraven på en nödvändig kontinuitet från fabriksledningsnivå ner till fältnivån. PROFINET CBA har en kraftfull runtimemodell. För implementeringen av PROFINET:s runtimemodell i produkter finns det ett operativsystemoberoende källkodspaket tillgängligt för nerladdning från hemsidan Det stöder hela PROFINET kommunikationen och kan enkelt integreras i PROFINET CBA produkter. 4.1 Komponentmodellen Många automationssystem kan delas upp i flera autonoma segment. Dessa kallas teknologiska moduler i PROFINET. De arbetar självständigt och koordineras sinsemellan med ett litet antal handskakningssignaler. PROFINET CBA baseras på objektorienterade teknologiska moduler. Detta gör att maskiner och anläggningar i PROFINET representeras av en struktur av teknologiska moduler. Funktionen hos de teknologiska modulerna är inkapslade i enhetliga PROFINET komponenter. Utifrån får man access till PROFINET komponenterna via enhetligt definierade interface. Därför kan de kopplas samman på valfritt sätt. Ett distribuerat automationssystem som designats på detta sätt tillåter att anläggningen och maskinerna modulariseras och delarna (både segment och maskiner) kan därför återanvändas. Detta reducerar avsevärt ingenjörskostnaderna. Bild 4.1 visar vägen från en teknologisk modul till en PROFI- NET komponent i en fältenhet i form av mjukvara. 4.2 PROFINET CBA konfigurering För att åstadkomma användarvänlig konfiguration av PROFINET system har man tagit fram ett enhetligt tillverkaroberoende utvecklingskoncept. Det baseras på en objektmodell med vilket inte bara konfigureringsverktyg kan utvecklas för olika tillverkares komponenter utan även tillverkar- eller användarspecifika funktionsutökningar. Tack vare att man skiljer på den tillverkarspecifika produktkonfigurationen/parametreringen och den tillverkaroberoende konfigureringen med PROFINET:s utvecklingsverktyg (editor för kommunikationsförbindelser) kan produkter från olika tillverkare enkelt integreras och diagnostiseras i en anläggning. Man upprättar kommunikationsförbindelser genom att dra linjer mellan komponenterna som skall förbindas. Kommunikationseditorn kontrollerar omedelbart om förbindelsen är möjlig. Utbytet av data mellan PROFINET noderna sker med de konfigurerade förbindelserna. De tekniska funktionerna hos en PROFINET CBA enhet beskrivs i en XML-fil: PCD (PROFINET Component Description), som tillhandahålles av produkttillverkaren. Utvecklingsverktyget skiljer mellan programmeringen av styrlogiken för de enskilda teknologimodulerna och den teknologiska konfigurationen av hela systemet. En systemövergripande applikation byggs därför i tre faser: Komponenterna skapas, Förbindelserna konfigureras, Förbindelseinformationen laddas ner till PROFINET enheterna. 4.3 Skapa komponenter Komponenterna skapas i enlighet med de teknologiska modulerna av anläggningsbyggarna eller installatörerna. Programmering och konfigurering av enheterna görs som tidigare med respektive tillverkares verktyg. Efteråt inkapslas användarprogrammet i form av en PROFINET komponent. Bild 4.1: En PROFINET komponent utgör en autonom del av ett automationssystem. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

14 Detta görs av tillverkaren genom att programmeringsmjukvaran utökas med komponentinterfacet. Detta genererar en PCD enligt föreskriven struktur och med innehåll i enlighet med PROFINET. Därmed kan befintliga användarprogram och programmerarnas och servicepersonalens kunskaper användas även fortsättningsvis. 4.4 Komponentförbindelser De genererade PROFINET komponenterna hämtas till applikationen från ett bibliotek med förbindelseeditorn. Denna kommunikationseditor ersätter tidigare kostsam programmering av kommunikationsrelationer med enkel grafisk konfiguration. Med PROFINET:s konfigureringsverktyg sammanbinds de distribuerade applikationerna med varandra tvärs anläggningsövergripande. Det fungerar helt tillverkaroberoende och kan därför förbinda PROFI- NET komponenter från valfria tillverkare. Den största fördelen är att kommunikation inte längre måste programmeras. 4.5 Nerladdning av förbindelseinformationen Förbindelseinformationen överförs till PROFINET enheterna såsom det angetts i komponentförbindelseplanen. Det betyder att varje komponent känner till sina egna kommunikationspartners, kommunikationsrelationer och vilken information som skall utbytas. Uppkopplingen av kommunikationsförbindelserna och datatrafiken startar automatiskt. Förbindelseinformationen laddas till varje konsument, som sedan helt självständigt skapar och övervakar kommunikationen till deltagande partner. PROFINET CBA kommunikation bygger på TCP/IP-, UDP/IP- eller RT-funktioner. Bild 4.2: Nerladdningen av kommunikationsinformationen till PROFINET-enheterna sker till varje konsument. 10 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

15 5. Nätverksinstallation Den internationella standarden ISO/IEC och dess europeiska motsvarighet EN definierar en applikationsneutral standard för informationsteknologiska nätverk i byggnadskomplex. De är i stort sett identiska till innehållet. Båda utgår ifrån en kontorsanvändning av nätverken i byggnaderna och inkluderar kravet på applikationsneutralitet. Standarden tar inte hänsyn till de speciella behoven för Ethernet nätverk i en industriell miljö: installationsanpassat kablage Bild 5.1: Ethernetnätverk för kontor har normalt en stjärntopologi individuell nätverksutbyggnad för respektive maskin/anläggning linjestruktur på nätverket tåliga, industrianpassade kablar och kontakter utformade för att klara kraven från EMC, temperatur, fukt, damm och vibrationer. "PROFINET Installation Guideline" beskriver en industristandard för Fast Ethernet kablage baserad på bestämmelserna i IEC Nätverkstopologier Nätverkstopologin måste anpassas till den anläggning/maskin som skall använda nätverket. De vanligaste strukturerna är stjärna, linje, träd och ring. I praktiken består ett system av blandade strukturer. Nedan beskrivs de var för sig. De kan implementeras och användas med PROFINET antingen med kopparkablar eller fiberoptiska kablar. Stjärna Definitionen av en stjärnstruktur är en central signalfördelare (switch) med individuella förbindelser till alla terminaler i nätverket. Applikationer som lämpar sig för stjärnnät är områden med hög deltagartäthet och korta avstånd. Exempel är tillverkningsceller eller en enskild produktionsmaskin. Träd Trädstrukturen består av flera kombinerade stjärnnät i ett gemensamt nät ofta blandat fiberoptiskt med partvinnade kablar. Det används när man delar upp ett komplext system i systemsegment. Linje Linjestruktur kan åstadkommas med en switch i direkt anslutning till enheten eller med en i enheten inbyggd switch. Linjestrukturen används framförallt i system med mycket utsträckt struktur, som conveyersystem eller vid anslutning av produktionsceller. Ring (redundans) Om slutet av en linje ansluts till början blir resultatet en ringstruktur. Ringtopologier används i system med krav på högre tillgänglighet till skydd mot kabelbrott eller fel på en nätverkskomponent. 5.2 PROFINET kablar Industrikablar utsätts ibland för extrem mekanisk påfrestning. Det ställer speciella krav på konstruktionen. Installationsguiden beskriver olika kabeltyper, som är optimalt anpassade till olika industriella användningsområden. Tillräckliga systemreserver gör att industriinstallationer kan ske utan att överföringsavstånden måste begränsas. Tabell 5.1: Skillnaden mellan kontor och automation uppmärksammas i PROFINET. På fältnivån är kraven på kablaget liknande de för PROFIBUS. Eftersom många noder behöver 24V energiförsörjning förutom dataanslutningen är en struktur med hybridkablar användbart. Hybridkablar inkluderar ledningar PROFINET Teknisk beskrivning, version April

16 5.3 Kabelkontakter Ett viktigt kriterium för den industriella användbarheten är hur kontakteringen kan hanteras på plats i anläggningen. Därför finns det snabbkopplingskontakter för både M12 och RJ45. De är enkla att sätta samman på plats med standardverktyg. Bild 5.2: Ethernet nätverk i industriella applikationer har normalt linjestruktur för signalöverföringen och dessutom ledningar för energiöverföring. Optiska fibrer är inte känsliga för elektromagnetiska störningar och klarar längre avstånd än partvinnad koppar. PROFINET kablage med partvinnad koppar Signalöverföring på symetriska kopparledningar (partvinnade) använder 100BASE TX med en överföringshastighet på 100 Mb/s (Fast Ethernet). Överföringsmediat beskrivs som en dubbelskärmad kopparkabel med två partvinnade ledningspar (STP = Shielded Twisted Pair). Endast skärmade kablar och anslutningsdon är tillåtna. De enskilda komponenterna måste uppfylla minst kategori 5 enligt IEC Hela överföringskedjan måste uppfylla kraven enligt klass D i IEC PROFINET kablar måste också ha ledningar med minst 0,22 mm 2 tvärsnittsarea (AWG 22) för att minimera dämpningen och medge komplexa kabelstrukturer. Av den anledningen tillåter specifikationen för PROFINET kablage en modulär uppbyggnad, som säger att om några enkla installationsregler följs så uppfylls kraven i IEC RJ45 och M12 kontakter används. Enheterna har uttag (hona). Anslutningskablarna, såväl för anslutning av fältenheterna som mellan nätverksutrustning, som switchar, utrustas med motsvarande kontakter (hane) i båda ändar. De ansluts till den specificerade AWG 22 kabeln. Alla enheter ansluts till en aktiv nätverkskomponent. För PROFINET används genomgående switchar. Specifikationen av nätverkskomponenter gör att installationen blir enkel. Överföringskablarna utformas med samma sorts kontakter i båda ändar och med samma pinkonfiguration. Den maximala segmentlängden är 100 meter. PROFINET kablage med fiberoptik PROFINET kan använda multimode eller singelmode fiberoptiska kablar. Signalöverföringen sker med 2 optiska fibrer enligt 100- BASE-FX med en överföringshastighet på 100 Mb/s. De optiska interfacen uppfyller specifikationerna i ISO/IEC (multimode) respektive ISO/IEC (singel mode). För applikationer utanför kopplingsskåpet måste kabelns ytterhölje klara miljön där den förläggs (mekanisk och kemisk påverkan, temperatur mm.). För multimodkablar är maximal segmentlängd 2 km och för singelmod 14 km. Kontakter för koppar I kopplingsskåp används RJ45 kontakter i IP20 utförande för PROFINET. De är kompatibla med kontorskontakter. Kontakter utanför kopplingsskåpen måste klara mycket tuffare industriella krav. Här används RJ45 i IP65 utförande eller M12. RJ45 i IP65/IP67 är utformade med ett tåligt hölje med ett öppningsbart Bild 5.3: Exempel på en RJ45 kontakt i IP20 lock som låses fast med en enkel vridning. Speciella varianter finns för IP68. RJ45 kontakterna specificerade för PROFINET finns i varianterna 14 och 5 i standarden IEC Till M12 kontakterna används den skärmade D-kodade varianten i IEC Bild 5.4: Exempel på en RJ45 kontakt i IP67 12 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

17 Hybridkontakter används där I/Omoduler ansluts med en kombinerad kabel för både data och energiförsörjning. De är RJ45 kontakter i IP67 med två par skärmade dataledningar för kommunikationen och 4 kopparledningar för strömförsörjningen. Även här kan samma sorts kontakter användas i båda ändar eftersom det integrerade beröringsskyddet gör det onödigt att ha honor i ena änden. Bild 5.5: Exempel på en RJ45 hybridkontakt i IP67 Kontakter för fiber Anslutningar för fiberoptik utförs lämpligen i enlighet med ISO/IEC med duplex SC kontakter. Detta beskrivs i IEC Den senaste generationen produkter har SC-RJ kontakter enligt EN Denna kabelkontakt förenar fördelarna av ett kompakt utförande med tåligheten hos SC kontakter som behövs i en industriell miljö. SC-RJ kontakter används för första gången i PROFINET nätverk med optiska plastfiber. De tåliga kontakterna lämpar sig väl för fältmontage. IP65/67 varianter i ett hölje med öppningsbart lock ger optiska an- slutningspunkter i tuff industrianvändning utanför kopplingsskåpen. 5.4 Switchar PROFINET använder generellt switchar som nätverkskomponenter. Switchar är nätverksenheter i överföringsvägen mellan de aktiva deltagarna. De regenererar och vidaresänder alla signaler de tar emot. De hjälper till att strukturera nätverket. De grundläggande specifikationerna finns i ISO/IEC Switchar lämpliga för PROFINET är gjorda för Fast Ethernet (100 Mb/s, IEEE 802.3u) och full duplex överföring. I full-duplex mod både skickar en switch data och tar emot samtidigt på samma port. När switchar används uppstår inga kollisioner. Därmed förloras ingen bandbredd på grund av Ethernets kollisionsprocess. Nätverkskonfigureringen förenklas genom att man inte behöver ta hänsyn till segmentlängden i en kollissionsdomän. För att bibehålla kompatibilitet med äldre system och enskilda äldre Ethernetenheter och hubbar stöds även 10BASE-TX (10 Mb/s, CSMA/CD). Därutöver stöder PROFINET switchar prioriterade telegram enligt IEEE 802.1Q, standardiserade diagnostikkanaler, autopolaritetinställning, automatisk inställning av parametrar (autonegotiation) och auto-cross-over. Portspegling för diagnostikändamål är en valfri option. 5.5 Trådlöst Fördelarna med trådlös dataöverföring utnyttjas mer och mer i industrin. Detta inte bara för att spara kabelkostnader och installationsarbete. Flexibiliteten och rörligheten man får med trådlös infrastruktur möjliggör helt nya lösningar i situationer där elektriska kablar inte kan användas eller kan användas endast med kraftiga begränsningar. Det kan vara mekaniska, säkerhetsmässiga eller miljökrav som utesluter elektriska kablar. Lämpliga applikationer är till exempel integrering av rörliga delar i kommunikationssystemet eller inkoppling av givare som är svåra att nå men även mobila insatser och observationer, förarlösa transporter och liknande. PROFINET kommunikation kan också ske över trådlösa kommunikationsnätverk. PROFINET måste då kunna arbeta med olika radioteknik för olika applikationsområden med speciella parametrar för överföringshastighet, antal deltagare mm. För detta ändamål har profiler tagits fram för de olika teknikerna som beskriver hur integrering sker i PROFINET, vilken topologi och vilken kapacitet som kan uppnås med respektive teknologi och vilka villkor som gäller för till exempel säkerhetskrav. Specifikationen av dessa profiler är en ständigt pågående process och måste hålla jämna steg med tillgänglig radioteknik och behoven på fältet. Som ett första steg förbereds en profil för WLAN som följer standarden i Kontorsswitchar kan användas om de uppfyller kraven ovan och miljökraven där de installeras. Industriella Ethernetswitchar är mekaniskt (IP klass mm.) och elektriskt (24V spänningsmatning mm.) utformade för att klara industrins tuffa miljö. Samtidigt måste de uppfylla EMC-kraven i maskindirektivet för att fungera driftsäkert. Bild 5.6: Exempel på en SC-RJ kontakt PROFINET Teknisk beskrivning, version April

18 6. IT integration Genom att använda standard Ethernet som ett kommunikationsmedium så uppnås inte enbart att den beskrivna automationsteknologin kan integreras i Ethernet utan även IT funktioner. Ethernet medför mera krav på nätverkshanteringen än vad som gäller för fältbussar tack vare TCP, UDP och IP. För att hantera alla tekniska aspekter av integreringen av PROFINET enheter i ett sådana nätverk har det tagits fram ett koncept för nätverksintegrering för PROFINET. Komponenterna i konceptet är huvudsakligen nätverksstrukturer, IP adressering, nätverksdiagnostik och tidssynkronisering. Administrationen och hanteringen av Ethernet förenklas genom användandet av standard protokoll från IT-världen. Ytterligare en fördel är att Internetteknik kan användas i automationen. PROFINET specificerar ett koncept inom ramen för webbintegration som ger access till PROFINET enheter. Detta görs med webbtjänster baserade på standard Internet teknologi. 6.1 Nätverksmanagement Nätverksmanagement inkluderar alla funktioner för administration av nätverket, konfigurering (till exempel tilldelning av IP-adresser), felövervakning (diagnostik) och prestandaoptimering. IP konfigurering När man använder TCP, UDP och IP i PROFINET måste nätverksnoderna. till exempel PROFINET enheterna, tilldelas sina specifika IP parametrar (IP adress, subnetmask mm.) Automatisk adresstilldelning med PROFINET konfigureringsverktyg: PROFINET stöder DCP protokollet (Discovery and Basic Configuration), som gör att IP parametrar kan konfigureras med tillverkarspecifika konfigurerings-/programmeringsverktyg eller med ett anläggningsövergripande ingenjörsverktyg, till exempel PROFINET förbindelseeditor. DCP är obligatoriskt i PROFINET, vilket garanterar ett enhetligt uppförande från alla PROFINET enheter. Automatisk adress tilldelning med DHCP: I kontorsvärlden har DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) etablerat sig som en de facto standard. Med PROFINET kan man använda denna standard och det finns beskrivet hur DHCP kan användas i en PROFINET omgivning utan att störa. Implementeringen av DHCP i PROFINET enheter är valfri. Diagnostikmanagement Tillgängligheten i nätverkskommunikationen har mycket hög prioritet. I nuvarande nätverk har SNMP (Simple Network Management Protocol) etablerat sig som de facto standard för underhåll och övervakning av nätverkskomponenter och deras funktioner. För att kunna övervaka PROFINET enheter med etablerade managementsystem måste SNMP implementeras. SNMP ger både läsaccess (övervakning, diagnostik) och skrivaccess (administration) för en enhet. I PROFINET är ännu bara läsaccess till enheternas parametrar specificerat. SNMP kan valfritt implementeras, då i första hand för access till standardinformation för SNMP (Management Information Base 2 (MIB 2)). Den för PROFINET komponenter specifika diagnostiken kommer man åt genom att använda mekanismen beskriven i PROFINET specifikationen. SNMP är inte avsedd att öppna några andra diagnostikkanaler i detta sammanhang. Det skall endast möjliggöra integration i nätverksmanagementsystem som inte normalt hanterar PROFINET specifik information. 6.2 Webb tjänster Det är inte bara moderna Ethernetbaserade teknologier som kan användas med PROFINET. En PROFINET komponent kan också accessas från en webbklient baserad på standardteknologi från Internetsektorn, som HTTP, XML, HTML och med script. Datan överförs i ett standardiserat format (HTML eller XML) och visas med standardprogram (browser som Netscape, MS Internet Explorer, Opera, m.fl.) Detta gör att information från PROFINET komponenter kan integreras i moderna multimedia informationssystem. Fördelarna med webbintegrering i IT-området är: användning av en browser som enhetligt användarinterface platsoberoende access till informationen från ett godtyckligt antal klienter plattformsoberoende klienter och minskade kostnader för installation och underhåll av klientsidans mjukvara. Fördelar som alla gjorts möjliga för PROFINET komponenter. Funktionella egenskaper Huvudsyftet med PROFINET:s webbintegration är att underlätta konfiguration och diagnostik. Webbaserade koncept kan bli speciellt användbara inom dessa applikationsområden: Inga speciella verktyg behövs för access eftersom etablerade standardverktyg kan användas Tack vare världsomspännande tillgänglighet är det enkelt för tillverkaren att ge support till användarna under drifttagningen. Självbeskrivande komponenter gör att man kommer åt komponenterna med standardverktygen utan att ha någon konfigurationsinformation. Troliga scenarier för användning av webbintegration inom drifttagning och underhåll är bland andra test och övervakning vid drifttagning, en översikt av masterdata, enhetsdiagnostik och dokumentation av installations- och enhetsdata. Representationen av den tillgängliga informationen bör vara i ett format som både kan läsas av mänskor (till exempel med en browser) och i maskinformat (till exempel en XML-fil). Med PROFI- NET:s webbintegration är båda varianterna genomgående tillgängliga. För viss information har PROFINET:s webbintegration också standardiserade XML scheman. 14 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

19 Tekniska egenskaper Grunden för en webbintegration är en webbserver. Den bildar interfacet mellan PROFINET och de teknologier som skall webbintegreras. Webbintegrationen i PROFINET kan växa med prestanda och egenskaperna hos webbservern. Men även en enkel PROFINET enhet utrustad med bara en "embedded Web server" har samma rättigheter i en webbintegration som en PROFINET enhet med en "MS Internet Information Server" eller en "Apache Web server". Bild 6.1: Webbintegrering ger access över Internet till PROFINET komponenter Webbfunktionaliteten är skalbar. Detta gör att man kan göra lösningar som är så perfekt anpassade som möjligt till den aktuella applikationen. PROFINET-specifika delar kan integreras utan problem i en existerande webbimplementation av en komponent. 6.3 OPC och PROFINET OPC kan användas för att integrera PROFINET system med affärssystem eftersom OPC redan är en vida spridd standard i IT-världen. Med OPC-interface kan processoch underhållsinformation överföras från produktionen till affärssystemen. OPC servrar för PROFINET finns redan. Valfria OPC klienter kan användas för att transparent komma åt PROFINET-data från dessa servrar. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

20 7. Säkerhet Nuvarande trender inom automation och det ökade användandet av Ethernet inom automationsindustrin, underhåll på distans via Internet, sammankopplingen av industrinätverk med kontorsnätverk eller Intranät, allt detta ökar den potentiella risken avsevärt (hackerattacker, datamanipulation och - spionage, virus, maskar och trojaner). Eftersom säkerhetskoncept från kontorsvärlden inte räcker till för de speciella krav som råder inom automationsområdet måste säkerhetskoncept utvecklas för datasäkerhet inom automationsteknologin. PROFINET:s säkerhetskoncept kan hantera det stora behovet av nätverkssäkerhet i Ethernetbaserade automationssystem. Detta koncept uppfyller kraven på accesskontroll, datakryptering, äkthetskontroll och loggning av säkerhetsrelaterade händelser. 7.1 Hotbilder Speciellt viktigt för säkerheten inom automationsteknologin är att säkra tillgänglighet och tillförlitlig funktion samt skydda industriella anläggningar och produktionsprocesser. Potentiella hot i automationssystem kan komma utifrån via Internet likaväl som innifrån via kontorsnätet. Brandväggar ger ett skydd mot faror från Internet. Från det interna kontorsnätet kan det till exempel vara tillfälligt hög kommunikationsbelastning (exempelvis genom broadcast), vilket leder till att en produktionsprocess påverkas eller till och med avbryts. Därför är det nödvändigt att kunna begränsa onödig kommunikation. Normalt måste access från kontorsnätverket till automationsnätverket tillåtas. Skadlig mjukvara som virus, maskar och trojaner betraktas av de flesta företag som de största riskerna. Spridningen av dessa program kan ske så snabbt att inte ens flernivåbrandväggar effektivt kan skydda mot dem eftersom lämpliga motåtgärder för operativsystem eller virussignaturer för antivirusprogram normalt inte är tillgängliga förrän efter 1 till 2 dagar. För att minimera den potentiella risken måste installations- och produktionsnätverken hållas isär från nätverken i resten av företagen. Detta kan åstadkommas med kontrollerad och unikt identifierbar kommunikation mellan systemens nätverk till/från kontorsnätverken och företagets Intranät. Hittills har dock säkerhetskoncept huvudsakligen varit utformade för att skydda mot hot från Internet och kan i bästa fall bara delvis skydda mot hot från kontorsnätverk. Automationsteknologins speciella krav är inte heller beaktade. 7.2 PROFINET:s säkerhetskoncept Kärnan i säkerhetskonceptet är den säkerhetsrelaterade segmenteringen av automationsnätverket. Man bygger säkra automationsceller. Nätverksnoderna inom en cell skyddas av speciella säkerhetskomponenter för nätverk (till exempel switchar eller säkerhetsmoduler) som kontrollerar datatrafiken till och från cellen och kontrollerar accessrättigheter. Endast godkänd datatrafik tillåts. Access från klient-pc till automationsenheter kan åstadkommas med speciell klientmjukvara. Därmed behöver terminalerna ingen egen säkerhetsfunktion. Datatrafik mellan säkra celler eller mellan en klient och en cells noder kan alltså krypteras för att skyddas mot dataspionage eller manipulation. Detta är speciellt intressant om trafiken skall ske över icke säkra nätverk, som till exempel över Internet för underhållsarbete. PROFINET:s säkerhetskoncept ger främst följande fördelar: Skydd av enheter som saknar egen säkerhetsfunktionalitet Befintliga nätverk och automationsenheter kan säkras utan sidoeffekter. I många fall kan inte automationsprodukter förses med egen säkerhetsfunktionalitet speciellt som de saknar nödvändig hårdvara eller det är ekonomiskt oförsvarbart. Cellkonceptet ger i dessa fall ett mycket effektivt alternativ för att säkra befintliga nätverk. Samtidigt skydd av flera enheter Med cellkonceptet kan flera enheter säkras samtidigt, vilket ger lägre kostnader för användarna och också betydligt mindre konfigureringsarbete eftersom inte alla deltagare måste konfigureras för säkerhet. Bild 7.1: Kärnan i PROFINET:s säkerhetskoncept är den säkerhetsrelaterade segmenteringen av automationsnätverket 16 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

21 Realtid och säkerhet Realtidskapacitet och säkerhet är normalt motsägelsefulla krav. Varje säkerhetsmekanism måste kontrollera, utgående från regler och konfigureringen, om förbindelsen och den som söker access är godkänd eller inte. Det tar tid och kraft. Med cellkonceptet kan man uppnå både realtid och säkerhet. Inom cellen kan realtidstrafik löpa fritt utan inblandning av någon säkerhetsmekanism. Access till enheterna kontrolleras endast vid ingången till cellen. Integrerat skydd mot skadlig mjukvara Virus, maskar och trojaner måste anses vara allvarliga hot. Antivirusprogram kan dock inte användas som motmedel i det industriella segmentet eftersom det sänker prestanda så mycket att produktionsdatatrafik blir kraftigt försenad eller inte alls kommer fram. Andra nackdelar med antivirusprogram är de stora underhållsoch uppdateringskostnaderna. uppdatering av virustabellerna måste ske ofta ibland flera gånger per dag. I automationsområdet är det oacceptabelt att behöva boota om industri-pc:en flera gånger per dag. För nya hot tar det åtminstone 1 till 2 dagar från det hotet uppträder (virus eller liknande) till dess en lämplig uppdatering är tillgänglig. Under den tiden är antivirusprogrammet hjälplöst mot hotet. Allt sammantaget gör att antivirusprogram inte är användbara i industriella installationer. Eftersom PROFINET säkerhetsmoduler för nätverket endast tillåter godkända klienter att accessa automationsenheterna behöver endast dessa klienter vara skyddade mot en eventuell virusattack. Den industri-pc som är placerade i en säker cell behöver generellt inget virusskydd, vilket minskar kostnaderna väsentligt och man undviker prestandaförlust. Dessutom kan PROFINET:s säkerhetskomponenter blockera de portar som inte behöver användas. Detta minskar risken för infektion från skadlig mjukvara eftersom dessa ofta använder speciella portar, exempelvis e-postvirus använder port 80. Trots allt detta kan inte virusinfektioner helt uteslutas. Segmenteringen hjälper i det fallet till att begränsa skadan eftersom inte hela nätverket infekteras och spridningen undviks eller åtminstone fördröjs. Skydd av underliggande fältbussar De underliggande fältbussarna, som PROFIBUS, är anslutna via proxies till PROFINET och motsvarar därför en automationskomponent sett från Ethernet. Det är därför tillräckligt att säkra datatrafiken på Ethernet, så PROFI- NET:s säkerhetskoncept är alltså också kapabelt att skydda fältbussar anslutna till Ethernet. De skyddande funktionerna i säkerhetsmodulerna De skyddande funktionerna kan implementeras från och till en cell (inklusive blockering och frisläppning av IP och nivå-2 tjänster) genom styrning av all datatrafik (grundad på IP och nivå 2) och lämpliga processer kan användas för att säkerställa identitet (authentification) av nätverkets noder eller utföra kryptering av data. PROFINET säkerhetsmoduler använder öppna och etablerade IT säkerhetsmekanismer och därmed kan integrering ske till samlingen av nätverk i kontorsmiljön. Brandväggsmekanismer finns för styrning av datatrafiken liksom certifikatbaserad VPN och SSL för säker identifikation och kryptering av data. VPN och SSL certifikat har den fördelen, till skillnad från IP och MAC, att de inte kan förfalskas, vilket gör de lämpliga för högre säkerhetskrav. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

22 8. PROFINET och MES Integreringen av automationssystem, MES (Manufacturing Execution Systems) och ERP (Enterprise Resource Planning) blir allt viktigare i företagsomspännande integrerade informationssystem. Medan interfacet mellan MES och ERP är definierat i specifikationen IEC har det hittills inte funnits någon specifikation för interfacet mellan MES och automationssystemen. 8.1 Funktioner i MES IEC delar upp MES i följande fyra huvuddelar: Underhållsfunktioner Produktionsfunktioner Kvalitetsfunktioner Inventeringsfunktioner Eftersom området underhåll har stor betydelse både i verkstadsoch processautomation är underhållsfunktioner de första som stöds av PROFINET. Resultatet har blivit ett dokument i vilket bland annat informationsinnehållet som är viktigt för ett MES-interface har definierats. Bild 8.1: Underhållsfunktioner 8.2 Underhållsstatus Inom underhåll blir proceduren med statusbaserat underhåll allt viktigare. Den baseras på förmågan hos enheterna och modulerna att själv avgöra deras underhållsstatus och kunna kommunicera detta via överenskomna mekanismer. PROFINET enheter sänder sin status till högre nivåers enheter i ett standardiserad format. Det finns en statusmodell för detta ändamål som förutom status "bra" och "felaktig" också definierar två förebyggande underhållsvarningar "underhåll behövs" och "underhåll krävs." 8.3 Identifikation Förutom underhållsstatus är enheters och modulers förmåga att ge aktuell lägesrapport och den information som behövs för dess funktion och arbetsuppgift en viktig förutsättning för MES underhållsfunktioner. Funktionerna som redan finns definierade i dokumentet I&M (Identification and Maintenance Functions) måste därför också integreras i PROFINET enheter. Bild 8.2: Underhållsstatus 18 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

23 9. Applikationsprofiler Applikationsprofiler är gemensamma specifikationer från tillverkare och användare för speciella egenskaper, funktioner och uppförande hos enheter och system. Denna standardisering med hjälp av applikationsprofiler har följande fördelar: Anläggningsoperatörer: Att det finns certifierade produkter som följer en gemensam profil ger ett leverantörsoberoende utan att funktionaliteten behöver bli lidande Systemintegration och installation: När man använder certifierade produkter garanteras samma funktioner och interoperabilitet eftersom produkterna passerar en rad tester, som utvecklats och godkänts inom PI. Planering: Genom de enhetliga basfunktionerna hos produkterna har även en enhetlig nomenklatur utvecklats som underlättar när man skall välja produkt. Produkttillverkare: En enhetlig användning och en utökning av integrationsmöjligheterna för produkterna i olika automationssystem både underlättar och ger fler avsättningsmöjligheter Profilkonceptet sträcker sig från några få specifikationer för en klass av produkter till en fullständig uppsättning specifikationer för applikationer i en bestämd industribransch. Beteckningen applikationsprofil används som ett övergripande begrepp. Bild 9.1: Felsäker styrning med PROFIsafe 9.1 PROFIsafe för PROFINET Decentrala I/O i såväl verkstadssom processautomation levde länge med begränsningen att felsäkra funktioner bara kunde utföra med konventionell teknik eller med speciella säkerhetsbussar. PROFI- BUS med PROFIsafe för felsäkra applikationer var det första systemet att skapa ett komplett, öppet system som klarade de felsäkra scenarierna. PROFIsafe för PROFINET följer samma principer. PROFIsafe beskriver hur felsäkra produkter (nödstopp, ljusridåer, överfyllnadsskydd mm.) kan kommunicera felsäker information över ett nätverk tillräckligt säkert för att det skall kunna användas i felsäker automation upp till EN954's KAT4, AK6, och SIL3 (Safety Integrity Level). Den åstadkommer felsäker kommunikation med en profil, som använder ett speciellt format för användardata och ett speciellt protokoll. Specifikationen togs fram i samarbete mellan tillverkare, användare, standardiseringsorganisationer och testinstitut (TÜV, BGIA). Den baseras på enhetlig standard, i första hand IEC 61508, som speciellt behandlar kraven för mjukvaruutveckling. PROFIsafe tar hänsyn till alla möjliga felkällor (undantaget sabotage detta tar säkerhetskonceptet hand om) i en seriell busskommunikation, som fördröjning, förlust eller repetition av data, felaktiga order, fel adress och korrupta data. Man skiljer i huvudsak mellan två grupper av applikationsprofiler: Allmänna applikationsprofiler med tillämpning på olika applikationsområden (här ingår till exempel PROFIsafe). Speciella applikationsprofiler som är utvecklade uteslutande för en speciell typ av applikation, som PROFIdrive, Enkoder, Identsystem och PA. PROFIBUS har ett stort antal sådana profiler och kan därför användas applikationsorienterat. Dessa profiler integreras nu i PROFI- NET steg för steg i prioriteringsordning efter behov. Bild 9.2: PROFIsafe finns för både PROFIBUS och PROFINET IO PROFINET Teknisk beskrivning, version April

24 Det finns en rad skyddsåtgärder och av dessa har följande valts för PROFIsafe: Löpande numrering av felsäkra telegram Förväntad tid för inkommande telegram med nytt löpnummer och kvittering Lösenord mellan sändare och mottagare Extra datasäkerhet, CRC (Cyclic Redundancy Check) Den skickliga kombinationen av dessa skyddsåtgärder, tillsammans med en patenterad "SIL monitor" (för att mäta frekvensen av felaktiga telegram) gör att PROFIsafe når felsäkerhetsnivåer upp till SIL 3 och högre. Bild 9.3: PROFIdrive positionering med central interpolation och positionsreglering Med version V2 kan PROFIsafe användas såväl i PROFIBUS som i PROFINET och även i blandade nätverkssystem. I den nya versionen har man tagit hänsyn till möjligheterna i Ethernetbaserad kommunikation, som väsentligt högre kapacitet (adressutrymme, telegramstorlek mm.) och användningen av aktiva nätverkskomponenter (switchar och routrar). 9.2 PROFIdrive för PROFINET Profilen för drivutrustningar, PROFIdrive, beskriver ett gemensamt interface mellan drivutrustningen och överliggande styr- och reglerprocess liksom hur detta interface skall mappas i kommunikationssystemen PROFIBUS och PROFINET. Funktionsomfång PROFIdrive profilen täcker alla applikationsscenarier från enkla frekvensomformare till avancerade dynamiska servodrifter. Funktionaliteten har delats upp i sex applikationsklasser. Applikationsklass 1 har som målgrupp applikationer med enkla drifter, som frekvensomformare, där drivutrustningen styrs med varvtal eller frekvens från det överordnade automationssystemet. och drivutrustning utgörs av ett högteknologiskt interface. All driftrelaterad reglering sker i respektive drivutrustning. I applikationsklass 3, fungerar drivutrustningen som en självständig enaxlig positioneringsdrift, medan den överordnade styrningen koordinerar de teknologiska processerna. I applikationsklass 4, sker hastighetsreglering i driften och positionsreglering i styrsystemet. Detta är typiskt för Motion Control och robotapplikationer. De höga kraven på rörelsernas exakthet kräver klocksynkron drift (se Bild 9.3). I applikationsklass 5, användes interfacet mellan styrning och drift för positionsöverföring. Själva positionsregleringen sker i drivutrustningen. Applikationsklass 6 täcker applikationer med decentral automation och vinkelsynkronisering mellan drifterna. I dessa applikationer krävs både klocksynkron drift och tvärkommunikation mellan drifterna. Drivmodell Drivmodellen som definieras i PROFIdrive bygger på produktmodellen för PROFIBUS och PROFINET. Datautbytet mellan styrning och drivutrustning baseras på motsvarande tjänster i de båda kommunikationssystemen (se bild 9.4). I applikationsklass 2, är den överordnade automationsprocessen för drifterna uppdelad i många delprocesser och distribuerade till drifterna. Interfacen mellan styrning Bild 9.4: PROFIdrive grundmodell (applikationsnivå och kommunikationsnivå) 20 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

25 Drivparametrar Konfigureringen av drifter görs genom att man anger parametervärden. PROFIdrive beskriver ett protokoll för överföring av parametrar mellan styrsystem eller ingenjörsstation och drivutrustningen. Protokollet skickas med de ordinarie tjänsterna i PROFIBUS eller PROFINET. I en profilspecifik dataarea definierar PROFIdrive parametrar för konfigureringen av PROFIdriveinterfacet. Det ger interoperabilitet mellan drifter från olika tillverkare. Migration PROFIdrive fanns tidigare endast för PROFIBUS men har nu utökats för PROFINET i och med version PROFIdrive V4.0. Detta med bibehållet användarinterface. Därmed kan en problemfri migration från PROFIBUS till PROFINET ske. Funktionaliteten är oberoende av vilket kommunikationssystem som används. PROFINET ger ännu bättre prestanda än PROFIBUS. 9.3 PROFINET profil för produkter inom processautomation (PA) Kraven på kommunikationssystem för processautomation omfattar energimatning över bussen, hantering av intelligenta fältenheter, parametrering och konfigurering under drift, installation i explosionsfarliga miljöer mm. Krav som uppfylls av PROFIBUS PA. Detta görs tillgängligt för PROFINET via en gateway mellan PROFINET och PROFIBUS PA system och migration av kommunikationen för PROFI- BUS PA in i PROFINET. Gatewaylösningen baseras på konceptet för PROFIBUS integration i PROFI- NET IO (se kapitel 11). Detta skyddar befintliga investeringar i processystem och ingenjörskunskap. 9.4 Funktionsblock för kommunikation Kommunikationstjänsterna för PROFIBUS och PROFINET definieras i IEC Hur dessa tjänster realiseras för olika applikationer beror på respektive styrsystem och fältenheter från olika tillverkare. Inom PLC-området är IEC den erkända internationella standard som specificerar programmeringsmodellen och programspråket. Standarden definierar en uppsättning språkelement och funktioner (till exempel datatyper och funktionsblock) som används på ett enhetligt sätt i en väldefinierad uppsättning programmeringsspråk (till exempel reläschema, strukturerad text). PROFINET IO och PROFIBUS DP har en gemensam uppsättning block för att bygga kommunikation. Dessa block kan användas i applikationsprogram som använder IEC språken. Därmed finns ett tillverkaroberoende interface för access till PROFINET IO enheter och PROFI- BUS DP slavar. Applikationsprofilerna för identifikation och vägning/dosering använder redan dessa block för kommunikationsuppbyggnad. Det finns motsvarande applikationsspecifika block. 9.5 Andra profiler Förutom de beskrivna applikationsprofilerna kommer en rad andra profiler för PROFINET att släppas inom kort. Profilerna som redan finns för PROFIBUS kommer att konverteras till PROFINET och nya profiler tillkommer. Profilen för tågapplikationer är en av de första av dessa nya profiler. Tågapplikationer Tågapplikationer inkluderar applikationsprofiler för produkter inom järvägsautomation. Genom att använda PROFINET blir realtid och IT-kommunikation tillgängligt för applikationer i rälsbundna fordon. Standardisering av undersystem främjas av att produktprofiler skapas. För järnvägens kommunikationsnätverk utvecklas en PROFI- NET profil som skall kunna bli standard och spridas i många olika rälsbundna fordon. Den specificeras utifrån WTB (Wired Train Bus) och UIC specifikationer. Senare kommer profiler för en rad olika undersystem inom järnvägsautomation. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

26 10. Fältbussintegration PROFINET specificerar en modell för integration av PROFIBUS och andra fältbussar som INTERBUS och DeviceNet. Det gör att man kan skapa godtyckligt blandade system med fältbuss- och Ethernetbaserade segment. Därmed kan man få en mjuk teknikväxling från fältbussbaserade system till PROFINET. Det stora antalet befintliga fältbussanläggningar gör det nödvändigt att stödja en enkel integration i PROFINET, inte minst för att skydda investeringarna. Man skiljer på följande integratörer: Systemoperatören vill enkelt kunna integrera befintliga installationer i de PROFINET system som installeras. Anläggnings- och maskinbyggare vill kunna använda befintligt utbud av produkter även i automationsprojekt med PROFINET. Produkttillverkarna vill kunna integrera befintliga produkter i PROFINET installationer utan att ändringarna kostar något. Fältbussystem kan enkelt och transparent anslutas till ett PROFI- NET system med hjälp av en proxy. Proxyn fungerar som en representant för fältbussenheterna på Ethernet. Den integrerar noderna på den underliggande fältbussen i det överordnade PROFINET systemet. Detta gör att fördelarna i fältbussen, som snabb dynamik, diagnostik ner på kanalnivå, och automatisk systemkonfiguration kan användas i PROFINET världen utan några extra inställningar i fältenheterna. Att man får med sig systemfördelarna underlättar arbetet eftersom arbetssättet, konfigureringen och drifttagningen blir desamma och utnyttjar de fulla diagnostikmöjligheterna hos fältbussen. Produkt- och programverktyg används på vanligt sätt integrerade i PROFINET:s ingenjörsverktyg. Bild 10.1: Integration av fältbussystem är enkelt med PROFINET 10.1 Integration i PROFINET IO Fältbussintegration i PROFINET IO baseras på proxy konceptet. Normalt integreras fältbussystemet i PROFINET IO som en modulär enhet. Varje fältbussnod utgör en egen modul i en och samma IO enhet. Därmed kan alla fältbussenheternas data överföras i ett Ethernettelegram. Konfigurerings- och parameterdata för fältbussnoderna fortsätter att vara tillgängliga i motsvarande modul i IO enheten. Inga extra konfigureringsverktyg behövs för fältbussproxyn eftersom anslutningen av en modulär IO enhet stöds av alla programmeringssystem. Följande fältbussar blir de första som integreras: PROFIBUS DP PROFIBUS PA AS-i INTERBUS DeviceNet Fler fältbussar övervägs att integreras. Integrationsexempel med INTERBUS INTERBUS system kan mycket bekvämt integreras i PROFINET. Vid modulär integration är slot 1 i PROFINET IO-Device reserverad för INTERBUS mastern. I kanalen för cykliska processdata, som används för statusmeddelanden och styrregister, kan status för INTER- BUS-systemet avfrågas och speciella åtgärder, som anslutning och avlägsnandet av noder, kan utföras. Bild 10.2: Modulär integration: Varje INTERBUS enhet mappas till en modul i en IO enhet 22 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006

27 Cykliska processdata tillhörande slot 2 och uppåt är direkt tilldelade till ingångs- och utgångsdata för respektive INTERBUS-slav, medan PROFINET IO parametrarna används för att sätta nodspecifika data och för ändring av produktspecifika PCP parametrar. Diagnostikmeddelanden från INTER- BUS systemet är tillgängliga som PROFINET IO kanaldiagnostik. Devicemodellen fungerar som en INTERBUS anslutningsmodul som inte sitter på styrsystemets bakplan utan är ansluten via en PROFINET förbindelse. INTERBUS enheter beskrivs med språket FDCML. Eftersom det som behövs i en GSD beskrivning också täcks av FDCML, minskar arbetet med att beskriva en enhet väsentligt för tillverkaren eftersom beskrivningen bara behöver göras en gång i FDCML. GSD filen genereras därefter genom en knapptryckning i FDCML editorn. Anslutning av fältenheter Proxykonceptet i PROFINET gör att befintliga fältbussystem enkelt och transparent kan integreras. Proxyn är en representant på Ethernet för en eller flera fältenheter (till exempel på PROFIBUS). Denna representant bibehåller en transparent konvertering av kommunikationen (ingen tunnling av protokoll) mellan nätverken. Cykliska data till exempel överförs transparent till fältenheterna. Bild 10.3: Anslutning av individuella fältbussenheter med hjälp av en proxy Integration av fältbussapplikationer En hel fältbussapplikation kan representeras som en PROFINET komponent inom ramen för komponentmodellen. Detta är betydelsefullt när ett befintligt system skall utökas med PROFINET. I det fallet spelar det ingen roll vilken fältbuss som använts i det befintliga systemet. För att kommunikationen mellan det existerande systemet och PROFINET skall fungera måste systemet med fältbussmastern kunna PROFINET också. Därmed används existerande fältbussens mekanismer inom komponenten och PROFINET utanför komponenten Integration i PROFINET CBA I PROFINET CBA finns det två möjligheter att ansluta ett fältbussystem: anslutning av fältbussenheter med proxy anslutning av hela fältbussapplikationen. I PROFIBUS är proxyn en PROFI- BUS master på ena sidan, som koordinerar datautbytet med PROFI- BUS noderna och på den andra sidan är den en Ethernet nod med PROFINET kommunikation. En proxy kan vara antingen en PLC, en PC styrning eller en ren gateway. Ur komponentsynpunkt betraktas intelligenta slavar som PROFINET komponenter. I PROFINET:s förbindelseeditor skiljer man inte mellan sådana komponenter och komponenter på Ethernet. Proxykonceptet gör att kommunikationen mellan enheter på olika bussystem blir transparent. Bild 10.4: Integrering av en hel fältbussapplikation Denna migrationsmöjlighet ger användaren (systemoperatör och byggare) skydd av investeringar i befintligt system och kabeldragning. Dessutom kommer kunskap om de befintliga programmen till fortsatt nytta. Det gör övergången till nya anläggningssegment med PROFINET smidig. PROFINET Teknisk beskrivning, version April

28 11. Implementering i produkter 11.1 Implementering av PROFINET IO För PROFIINET IO finns det en specifikation, som i detalj redogör för hur en fältenhet arbetar, i form av protokoll och kommunikationsflöde (s.k. state machines). Denna typ av beskrivning finns redan för PROFIBUS. PROFINET IO specifikationen är så detaljerad att olika stackleverantörer mjukvarumässigt kan ta fram en standardstack. Mjukvarustackar Förtestade mjukvarustackar och ASICs finns numera för utvecklingen av PROFINET IO fältenheter. Komponenterna innehåller hela eller delar funktionaliteten för en IO-enhet. Med dessa komponenter kan en tillverkare utveckla certifierade fältenheter. Mjukvarustackarna är normalt oberoende av operativsystem och Ethernetinterface och de innehåller de obligatoriska tjänsterna. Bild 11.1 visar mjukvarustackarnas struktur för IOenheter. Det finns även implementationsexempel med användarinterface som är enkla att hantera. Utvecklingen med mjukvarustackar omfattar det som är markerat med blått i bild Anpassning till operativsystem, en TCP/IP eller UDP/IP stack och ändringarna i Board Support Package görs alla av tillverkaren av fältenheten. Hårdvara Spektrat av hårdvara för utveckling av PROFINET produkter sträcker sig från ASICs med eller utan integrerade switchportar till piggybacklösningar som bara kräver minimal anpassning till applikationen. Utvecklingen baseras alltid på en Ethernet ASIC. På marknaden finns redan ASICs med integrerad switchfunktion i hårdvara. Bild 11.1: PROFINET IO stackens struktur. Utvecklingspaket Några företag erbjuder utvecklingspaket för PROFINET IO-enheter, där paketet är gjorda för en specifik Ethernet styrkrets. För alla andra Ethernet styrkretsar finns mjukvarustackar som då anpassas till respektive krets. I de följande avsnitten visas tre exempel på tillgänglig support från olika företag för utveckling av PROFINET produkter. Siemens lösning ERTEC400 är en ASIC med hög prestanda och en inbyggd 4-portsswitch, ARM 946 processor och en PCI-brygga. Den är också optimerad både för att användas i en IO-Controller och i en IO-Device. ERTEC 200 är optimerad för implementering i en IO-Device. Den har en 2-portsswitch med PHY och en ARM 946 processor integrerad. Förutom PROFINET mekanismerna innehåller ERTEC på ett chip alla de funktioner som behövs för att uppnå systemkapacitet med hög prestanda. PROFINET fältenheter måste alltid vara anslutna till kommunikationssystemet via en switch. Därför erbjuder en ERTEC-ASICs väsentliga kostnadsfördelar jämfört med andra Ethernetanslutningar eftersom den redan har en 4-ports full duplex switch inbyggd. Det gör en yttre switch överflödig. ASICarna i ERTEC-familjen stödjer PROFI- NET:s realtidskarakteristik: RT (Real-Time) och IRT (Isochronous Real-Time) samt tidmärkning enligt IEEE 1588 Utvecklingspaket för framtagning av en IO-produkt liksom världsomspännande teknisk support finns för användarna under implementeringen. Detaljerad dokumentation om ASICs och utvecklingspaketet finns på: 24 PROFINET Teknisk beskrivning, version April 2006