att förstå PROFINET En vitbok av Geoff Hodgkinson GGH Marketing Communications Version: 0.951; Date: 18 th March 2004 GEOFF@GGH.CO.UK i svensk översättning av Lars H Larsson
INLEDNING När man började överväga en Ethernetutökning för PROFIBUS protokollet i slutet av 1999, avsåg PROFIBUS International att låta PROFIBUS följa den väg som andra fältbussar hade tagit. Genom att baka in PROFIBUS protokollet inuti ett Ethernettelegram, argumenterade man, skulle användare kunna ta fördel av både Ethernet och PROFIBUS samtidigt. Det tog inte lång tid att inse att detta var en återvändsgata både för öppenhet och effektivitet. Erfarenheten inspirerade till en lång tids utveckling som nu bär frukt i form av en innovativ och bred teknisk lösning som kommer att påverka framtiden för all typ av tillverkning. PROFINET har idag en grundläggande betoning på en automationslösning snarare än bara kommunikation. Dess flexibilitet kan hjälpa till att åstadkomma en omfattande byte av automationsstrategi med en hastighet och i en omfattning som varje användare själv kan bestämma över. PROFIBUS International insåg att ett plötsligt stort hopp in i ett nytt automationstänkande är orealistiskt och därför anpassades PROFINET till att möta dagens behov av distribuerade I/O lika lätt och fullständigt som den troliga framtida trenden med distribuerade automationssystem, där ett objektorienterad synsätt kommer att krävas. Internationella standarder har använts genomgående för att göra PROFINET verkligt öppen. Speciellt gäller att PROFINET är fullt kompatibel med all existerande TCP/IP standard, vilket betyder att den enkelt kan integreras med högre nivåer av IT-system och verktyg. Till konceptet hör också utökningar som täcker behovet av realtid i automationen och för detta har det krävts ett antal viktiga innovationer. Detta gäller speciellt de mycket långtgående kraven från Motion Control, reglering av snabba positioneringar över bussen, som har lösts med helt ny mjukvara/hårdvara som gett aldrig tidigare skådade realtidsegenskaper helt unika för PROFINET. Redan arbetar man på att också lösa felsäkerhet på Ethernet och att klara behoven inom processautomation, uppgifter som ännu är open topics. Slutligen innefattar PROFINET det faktum att ingen Ethernetbaserad automationslösning kan nå framgång om den inte kan erbjuda bakåtkompatibel integrering av nedärvda fältbussystem och därigenom skydda kundernas investeringar. PROFINET har en enkel metod att integrera existerande fältbussar. Det kan omfatta vilken fältbuss som helst, inte bara PROFIBUS, vilket gör PROFINET till det mest öppna och framtidssäkra Ethernetlösningen som finns. Nyligen bildades en arbetsgrupp som skall integrera Interbus-fältbussprotokollet i PROFINET och de första produkterna för koppling till DeviceNet-system är redan tillgängliga.
VAD ÄR DÅ PROFINET? PROFINET skall förstås som en uppsättning automationsfunktioner och tjänster, alla baserade på en Ethernet kommunikationsstruktur utformad för att passa många olika applikationsmiljöer. Alla bitarna behöver inte användas varje gång i alla applikationer och man skall kunna välja och blanda från hela paletten. Det fulla värdet av denna flexibilitet kommer att bli uppenbar de närmaste åren när kraven från användarna av automation eskalerar (speciellt inom områden som Motion Control, när konkurrensen frambringar nya produkter och marknaden går över till distribuerade automationsstrukturer. Kärnan av PROFINET består av tre sätt att kommunicera som tillsammans täcker automationsspektrat från styrelserummet till fabriksgolvet. Först standard TCP/IP och UDP/IP som typiskt har cykeltider runt 100 ms och täcker all väsentlig vertikal integration. Till det kommer två realtidsoptioner. RT, RealTid, kommunikation som klarar behoven av cykeltider runt 5-10ms, IRT, Isokron RealTid, kommunikation som klarar fasta cykeltider ner till 0,25 ms med n synkroniseringsnoggrannhet på under 1µs för riktigt krävande realtidsapplikationer. Dessa tre kommunikationssätt är implementerade i standard Ethernettelegram med hjälp av två er som delar bandbredd och kan användas oberoende eller samtidigt Bilden till höger visar de två erna. Till vänster den öppna en som förmedlar standard data. De mörkgröna delarna visar det fysiska Ethernet lagret och TCP/IP stacken. Detta är en konventionell Ethernetimplementering som transporterar standard data på exakt samma sätt som vilket kontorsnät som helst. Det behövs för att göra PROFINET tillgängligt för externa system och för att förmedla data upp och ner i en vertikalt integrerad arkitektur eller över Internet. Stacken stöder IT-funktioner som HTTP och SNMP. Kombinerat med UDP/IP används den också för PLC till PLC (eller HMI) kommunikation och acyklisk kommunikation (som behövs för parametrering, konfigurering, diagnostik och nätverksmanagement). IT-Applikationer HTTP SNMP DHCP... TCP/UDP IP PROFInet Applikationer Standard 1 Ethernet Realtids Realtid 2 RT Även i Fast Ethernet (100 Mbit/s) är TCP/IP/UDP inte snabb nog att leverera data i typiska automationscykler på 5-10 ms. RT kortsluter denna stack för att förkorta processtiden för decentraliserad automation och reglering, inklusive drives och fältenheter. RT ger en prestanda i klass med dagens fältbussteknik med snabba cykliska data, hög kapacitet och vissa händelsestyrda funktioner. Det åstadkoms genom att eliminera TCP/IP lagren och skapa en gräddfil för kontrollerad trafik analogt med bussfilerna på en stadsmotorväg. Standard Ethernet Quality of Service parametrar används för att prioritera RT data.
OCH NÄR DET KRÄVS SNABB REALTID? För mer tidskritiska automationsuppgifter, speciellt för Motion Control applikationer med cykeltider på 1ms och synkronisering på 1 mikrosekundsnivå, krävs en annan support för automationskommunikationen. PROFINET introducerar ett helt nytt koncept som kallas IRT, Isokron RealTid, som existerar som en valbar andra kommunikations bredvid den öppna en. Isokron betyder att funktionen som förmedlas av varje Ethernettelegram sker vid exakt samma tid i varje cykel. Detta kräver en noggrann synkronisering och, om systemet skall hantera många deltagare, en mycket exakt kontroll av multipla, synkroniserade dataöverföringar. IT-Applikationer HTTP SNMP DHCP... TCP/UDP IP PROFInet Applikationer Standard 1 Ethernet Realtids Switch Realtids Realtid 2 RT 3 IRT Realtid IRT er finns sida vid sida med den öppna en genom att dela en Ethernet cykel i två segment och dela på bandbredden. Ett system för tidsuppdelning används för att splittra upp IRT en i fasta delar var och en representerande en IRT deltagare. Bilden till vänster visar mekanismen och tabellen till höger visar hur kapaciteten beror av cykeltiden. IRT Öppen (TCP/IP) IRT Öppen (TCP/IP) Cykeltid 1 ms 250 µs Cykel 1 Cykel 2 Cykel n Noggrannhet <1µs <1µs T.ex. 1 ms positioneringsregleringscykel Antal noder 70 150 35 Synkronisering Deterministisk kommunikation IRT data Öppen kommunikation TCP/IP data Samtidigt överförbar TCP/IP data 9 MByte/s 6 MByte/s 6 MByte/s Tabellen visar att PROFINET IRT systemet inställt på en cykeltid på 1 ms klarar 150 enheter (till exempel axlar i en Motion Control applikation) vid en bandbreddsuppdelning på 50/50. Detta är realtidskapacitet som ingen annan av dagens teknologi kan mäta sig med. Kvar för standard TCP/IP och annat finns motsvarande 50 Mbit/s och uppåt i bandbredd med plats för flera maximalt stora telegram i varje ms cykel. IRT s tidsuppdelande teknik stöds inte av dagens Ethernet switchteknologi så den kräver speciell hårdvara i för de deltagare som skall skicka/ta emot IRT-data. Två nya Ethernet ASIC-switchar för inbyggnad är under utveckling enligt följande.
INBYGGDA IRT SWITCHAR Den kraftfullaste automationen för Motion Control kan uppdelas i två marknadssegment - Motion Control reglersystem respektive Drives med extra funktioner och fältenheter. IRT switcharna är därför två en 4 portsswitch för reglerenheten och en 2 portsswith för fältenheterna. Bilden visar hur dessa är tänkta att användas. Varje typ är baserad på en ASIC. 4 portsswitchen behövs när PLC:er och andra enheter som HMI skall kommunicera horisontellt eller uppåt. Här kommer 4 portswitchen att inmonteras, speciellt som priset inte har lika stor betydelse i dessa enheter, som en modul i PLC:n. För fältenheter där lågt pris är viktigare kommer 2 portsswitchen att byggas in i produkten själv. Motion control med ERTEC 400 Backbone HMI HMI HMI HMI HMI HMI HMI HMI MC MC MC MC MC MC MC MC MC......... Drive med ERTEC200 Maskinmodul Chipsen kallas ERTEC 400 (4-portsswitch, provexemplar hösten 2004) och ERTEC 200 (2-portsswitch, planerad till mitten av 2005). De arbetar så att de reagerar på den tidsuppdelande tekniken i IRT en och ser till att förbindelse etableras i exakt rätt ögonblick för att skicka telegram mellan konfigurerade enheter. Data avsedda för andra mottagare i systemet switchas helt enkelt vidare. Båda typerna av ASIC stöder normal Ethernet switchfunktionalitet och de kan ersätta externa switchar och gör därmed att komplex automationsstruktur kan byggas enkelt. Den extra förbindelsen längst till höger i bilden ovan bildar en loop och visar hur ett nätverk kan göras redundant! ERTEC200 inkluderar det fysiska delen av Ethernetprotokollet och kommer att kosta runt 19 Euro i större satser. Det är lågt nog för att byggas in i en motorenhet. ERTEC400 kommer inte att ha Ethernetfysiken inbyggd och kommer förmodligen att anslutas som en PCI modul i reglersystemet för Motion Control. Det planeras kosta 38 Euro i större kvantiteter. Två oberoende leverantörer har aviserats: Siemens och NEC Electronics. När priset faller kan man vänta sig att ERTEC switcharna dyker upp i andra produkter. Kanske Ethernetförbindelse blir billig nog för enkla fältenheter så småningom? DECENTRALISERAD STYRNING ELLER DISTRIBUERAD AUTOMATION Två stora marknadssegment kan förutses för PROFINET decentral styrning/reglering respektive distribuerad automation. Den första drivs av konventionell syn på automation av idag och kan löser automation på traditionellt sätt jämförbart med PROFIBUS DP. Den senare kommer att växa i betydelse allteftersom fler och fler automationssystem byggs upp av separata delar som sätts samman till en produktionsenhet till exempel en målerilinje kan innehålla en tvätt/rengörningsstation, sprutmålningsboxar, ugnar, avkylning och torkar, var och en utgör ett automationssystem med decentrala I/O och en eller flera PLC:er. Idag ser bara ett fåtal industrier på automation på detta sätt och då speciellt inom bilindustrin. PROFINET stöder båda synsätten vilket är viktigt eftersom de närmaste åren fortfarande kommer att domineras av traditionell decentraliserad styrning men mer och mer på Ethernet för att senare om 5 till 10 år komma att ombildas till distribuerad automation av vissa kallad Component Based Automation.
Den decentraliserade styrningen kallas PROFINET I/O och erbjuder en decentral I/O lösning på samma sätt som PROFIBUS DP men med de flesta delarna från DP V0 till DP V2 inkluderade från början och därtill fördelarna med Industrial Ethernet. I kort kommer den att ge samma sorts I/O-funktionalitet som konventionella I/O-moduler och därmed sträcker den sig långt för att skydda tillverkarnas investeringar i denna teknik men den kommer att innebära en annorlunda kommunikationsstruktur, nya konfigurerings- och underhållsverktyg och därför orsaka förändringar och utbildning för slutanvändare, lagerhantering mm. Varje PROFINET I/O produkt tilldelas ett Identnummer och får, liksom för PROFIBUS, en konfigureringsfil (liknande en GSD-fil). PROFINET motsvarigheten till GSD kallas GSDML och skrivs som XML, vilket gör att den blir universellt tillgänglig och stöds av många standard XMLeditorer. GSDML filen definierar en applikationsrelation mellan PLC:n och fältenheten och gör att kommunikationsrelationer kan etableras baserade på PROFINET standard respektive realtids kommunikationsoptioner. UDP/IP används under uppstartsfasen och när kommunikationen är etablerad överförs data cykliskt mellan PLC och fältenhet med hjälp av RT. Det blir också möjligt att använda IRT kapacitet. Pilotprodukter av PROFINET I/O kommer att visas på Hannovermässan 2004 och serietillverkning planeras till tredje kvartalet 2004. Distribuerade automationssystem har varit en av nyckeluppgifterna för PROFINET. Baserat på objektorienterad teknik, som använts inom datorbranschen i många år, ser PROFINET en automationsmodul som ett objekt eller en komponent i ett större system. PROFINET förenklar emellertid datorvärldens syn på ett objekt genom att beskriva varje komponent som ett block av funktioner som har en uppsättning ingångar och utgångar. Detta passar applikationer i verkligheten eftersom ett automationssystem är av en funktionell natur. I vårt exempel med en målerilinje utför först tvätten sitt arbete för att sedan mekaniskt mata vidare produkten till måleriboxen. Därvid skickas en signal till måleriboxen med information om produkten som är på väg och så vidare... Denna blandning av mekanik, elektronik och styrning gör att det blir enkelt för OEM och användare. För OEM betyder det att olika maskiner eller system kan använda samma moderkomponenter, enda skillnaden är hur de är sammankopplade. PROFINET standardiserar interfacen mellan de olika automationsblocken, som möjliggör att man enkelt sammanfogar automationsmoduler med hjälp av universella ingenjörsverktyg. Ett standard programmeringssätt definieras baserat på XML, som tillåter block att kopieras från ett bibliotek, placeras i en PC-baserad förbindelseeditor och konfigureras som förbindelserna i ett programblock. Denna CAD-liknande metod minskar design, konfigurering och installationsarbetet drastiskt, speciellt när man räknar in möjligheten att återanvända komponenterna. Dessutom behövs ingen kommunikations kunskap för komplexiteten i det underliggande nätverket är dold och kommunikationsrelationerna skapas automatiskt. Till stöd för denna förenkling, levereras varje komponent i automationen med en XML-baserad fil: PCD (PROFINET Component Description). Den inkluderar beskrivning av hårdvaran och mjukvaran som används. När konfigureringen är klar laddas PROFINET programmet ner till hårdvaran över nätverket och startas. Det inkluderar diagnostik i nätverksbilden i editorn så att fel enkelt kan lokaliseras och rättas till. PROFINET s Open Channel kommunikation används i ett typiskt komponentbaserat system med hjälp av öppen teknologi som DCOM och RPC.
ENKEL INTEGRATION I NÄTVERK PÅ HÖGRE NIVÅ Eftersom PROFINET system baseras på Ethernet/TCP/IP är de helt öppna för IT-världen, och kanske ännu viktigare, Internet och webbaserade tjänster och verktyg som är standard i den omgivningen. PROFINET kan till exempel använda DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol, för att automatiskt tilldela adresser till slavarna i nätverket. SNMP, Simple Network Management Protocol, kan användas för nätverksövervakning och fjärrkonfigurering/programmering av varje ansluten enhet, liksom inhämtning av diagnostik och statistik. Webintegration definieras i PROFINET principiellt för att tillåta standard utforskare att stödja installation, diagnostik och underhåll. Standardiserat innehåll och sidutformning definieras för att åstadkomma enhetlighet i datapresentationen och en gemensam säkerhetshantering. Ethernet funktionaliteten gör också att PROFINET enheter kan ha webbservers integrerade och att alla dessa enheter är transparent tillgängliga över nätverket. En ytterligare hjälp för IT-integrationen är att PROFINET använder OPC som ett gemensamt interface för utbyte av data. PROFINET definierar hur data skall presenteras i olika typer av PROFINET produkter. OPC DX, som skapats av OPC för att skapa en brygga mellan fältenheter olika fältbussar, stöds också av PROFINET. PROFINET S PÅVERKAN PÅ BEFINTLIGA BUSSAR Utom i vissa fall där de överlappar varandra, är det extremt osannolikt att PROFINET skulle ersätta PROFIBUS inom överskådlig framtid om ens någonsin. Marknadsanalyser att övergångspunkten kanske inte nås förrän 2010. Skälen är praktiska. Få användare som investerat i PROFIBUS produkter, utbildning och personal vill kasta bort allt det i morgon även om attraktionskraften hos Ethernet är stor. PROFIBUS firar snart 15 års jubileum, vilket betyder att den har utvecklats till en elegant, kraftfull och högt utvecklad teknologi som klarar ett mycket brett register av applikationsområden och profiler. Dessutom kommer den att fortsätta täcka marknadens behov av speciell teknik i många år, speciellt i specialistområden som felsäkerhet och processreglering. Marknadsundersökningar antyder att antalet PROFIBUS installationer kommer att dubbleras de närmaste fyra åren från 10 miljoner till 20 miljoner noder så PROFIBUS framtid är säkrad. Slutligen kommer det att ta tid innan priset på PROFINET har sjunkit till PROFIBUS nivåer. En gradvis övergång till Ethernet baserad automation är emellertid oundviklig och det är därför viktigt att PROFIBUS system och teknologi enkelt kan integreras i PROFINET lösningar. Ett av de tidigaste målen för arbetsgruppen kring PROFINET var därför att åstadkomma en elegant och kostnadseffektiv väg för detta. Det har faktiskt resulterat i två lösningar proxy och komponentbaserad teknik.
Det komponentbaserade sättet har beskrivits ovan. Proxylösningen är emellertid unik för PROFIBUS och förtjänar full uppmärksamhet, speciellt som det är enkelt för varje fältbussprotokoll att bli PROFINET powered. I korthet är en proxy en sorts gateway mellan ett fältbussystem och PROFINET. Ena halvan av proxyn vänder sig till PROFIBUS världen den fungerar som en PROFIBUS master medan den andra delen vänder sig till PROFINET världen. Transparent kommunikation mellan de två världarna tillåter proxyn att representera PROFIBUS slavarna på Ethernet. Det behövs ingen tunnling av protokollen så kommunikationen är lika effektiv som i ett rent PROFINET system. Ethernet PROFINET DP Master PROFIBUS DP DP Slav PROFINET Data DP-slav data PROFINET telegram PROFINET Data DP-slav data Ethernet sidan: Proxy representerar allla PROFIBUS slavar på Ethernet PROFIBUS telegram överförs i PROFINET telegram ingen tunling av protokoll PROFIBUS sidan: Proxy är DP master på PROFIBUS cykliskt datautbyte mellan DP master och DP slavar Proxy teknologi kan användas med direktkopplade system och med undernätverk som är komponentbaserade. Proxy metoden är flexibel nog att tillgodose alla fältbussystem. Det betyder att en slutanvändare som migrerar sin anläggning till en Ethernetomgivning kan välja att anamma PROFINET automationskoncept oberoende av vilket industriellt nätverk han använder. När alla större europeiska biltillverkare efterlyser en enhetlig integration av Ethernet i anläggningarna är detta av största betydelse. KOMMER EN ENDA ETHERNET-BASERAD LÖSNING ATT VINNA? Det snabba svaret är- NEJ eftersom alltför många kapitalintressen står på spel. Marknaden har förändrats väsentligt på de allra senaste åren. Användare är kunnigare, tillverkare fortsätter att vara innovativa och Ethernet baserade lösningar inte bara efterfrågas utan installeras också i allt större antal. Det faktum att det finns flera ledande fältbussar i världen kommer oundvikligen att resultera att mer än en Ethernet baserad lösning fortsätter att användas. PROFINET har dock många kraftfulla trumfess. Den trefaldiga slagkraftiga kommunikationslösningen ger stora möjligheter till innovativ systemdesign och implementering. IRT realtidskapaciteten kan bli en världserövrare, speciellt med tanke på dess innovativa switchteknologi. XML baserade ingenjörsverktyg garanterar universell support, Lösningen med distribuerad automation (CBA) lovar en säker väg till tillväxt. TCP/IP kompatibiliteten betyder öppen IT-integration och enkel företagsövergripande anläggningsplanering som sparar pengar med standardiserade verktyg och gemensamma plattformar. Världsomspännande PROFIBUS representation gör att support finns tillgänglig globalt. Dessutom har proxykonceptet redan visat sin betydelse genom att experter från både PROFIBUS International och från INTERBUS Club gemensamt arbetar för att skapa en INTERBUS proxy. Det kan verkligen bli så att denna förmåga hos PROFINET att omfamna och inte stöta bort andra fältbussprotokoll kan visa sig vara den kritiska faktorn. Den sammanlagda installerade basen av Interbus och PROFIBUS indikerar också att PROFINET är bestämd att bli en av världens främsta Industrial Ethernet teknologier. ---Ends---
APPENDIX A Tidsplanen för PROFINET under utveckling planeras PA Införande av PB applikationer Felsäkerhet MC & IRT I/O & RT Komponentmodell rt-sw rt-sw spec. ASIC tillgänglig runtime-sw, specifikation eller ASIC första produkterna tillgängliga 2002 2003 2004 2005 2006 2007