Aplicaciones de red de Ethernet industrial
PROFInet puede proporcionar conexiones abiertas y consistentes en los campos de la oficina y la automatización. La solución PROFInet cubre todas las etapas operativas del sistema de automatización descentralizado e incluye principalmente los siguientes aspectos: ⑴ El modelo de objetos abierto (modelo estructural) del sistema de automatización altamente distribuido ⑵ La solución de comunicación en tiempo de ejecución abierta y orientada a objetos basada en Ethernet ( entre unidades funcionales) relación de comunicación); (3) soluciones de diseño de ingeniería (desarrollo de aplicaciones) independientes del fabricante. La solución PROFInet se puede describir de forma sencilla y clara mediante una ecuación: PROFInet = Profibus Comunicación abierta y coherente con PROFIBUS y el estándar de TI Ethernet.
1.1 Estructura del software del equipo PROFInet
El software del equipo PROFInet cubre todo el período de funcionamiento de la comunicación del equipo de campo. El software basado en un diseño modular contiene varias capas de comunicación, cada capa está relacionada. al sistema. El entorno es consistente. El software PROFInet incluye principalmente una capa RPC (llamada a procedimiento remoto), una capa DCOM (modelo de objetos componentes distribuidos) y una capa definida específicamente para objetos PROFInet. Los objetos PROFInet pueden ser dispositivos ACCO (Active Connection Control Object), dispositivos RT auto (Runtime Automation), dispositivos físicos o dispositivos lógicos. El canal de datos en tiempo real definido en el software proporciona servicios de comunicación en tiempo real entre objetos PROFInet y Ethernet. PROFInet se conecta al sistema operativo (como WinCE) a través de la interfaz del sistema y al controlador (como el PLC) a través de la interfaz de la aplicación.
El software de ejecución de PROFInet está ubicado en una estructura de directorio fija, que se puede dividir en un directorio principal y un directorio de aplicaciones del sistema. Si la comunicación comienza mientras los archivos en el directorio principal no han cambiado, se deben reconstruir algunos archivos en el directorio de aplicaciones del sistema. Todas las aplicaciones del sistema apuntan a la interfaz del sistema y a la interfaz de la aplicación para realizar diversas funciones del equipo PROFInet. La estructura de software de los equipos PROFInet se puede describir de la siguiente manera en la Figura 1:
La estructura de software de los equipos PROFInet determina que se puede acceder directa y transparentemente a los equipos PROFInet desde la capa de gestión empresarial hasta la capa de campo, y proporciona Soporte para el protocolo TCP/IP. Absolutamente compatible. La tecnología PROFInet permite a los usuarios empresariales ampliar e integrar fácilmente los sistemas existentes. Es un estándar de comunicación Ethernet industrial optimizado.
1.2 Transferencia de PROFInet a dispositivos de campo
Como recurso abierto, otros fabricantes de equipos pueden utilizar el software PROFInet transfiriéndolo a la pila de protocolos TCP/IP del dispositivo de forma rápida y sencilla. implementar fácilmente en el producto. El proceso específico es: primero conectar la interfaz RPC de recursos abiertos a la integración del sistema en la pila de protocolos TCP/IP y el sistema operativo del dispositivo, luego integrar el mecanismo DCOM (Módulo de objetos de componentes discretos) de la pila de protocolos PROFInet en el sistema operativo del dispositivo; Finalmente, se implementa la aplicación DCOM específica del dispositivo de objetos de dispositivos físicos y lógicos, objetos de tiempo de ejecución y objetos de conexión de control de actividad. Al ensamblar dispositivos PROFInet para componentes individuales, también se deben crear las descripciones correspondientes en XML.
El archivo XML de un dispositivo PROFInet debe incluir los siguientes datos:
⑴El nombre y número de identificación del dispositivo PROFInet;
⑵La dirección IP de PROFInet dispositivo, los datos de diagnóstico Métodos de acceso y métodos de conexión del dispositivo;
⑶Asignación de hardware de dispositivos PROFInet, interfaces de dispositivos y variables, tipos de datos y formatos definidos para cada interfaz;
⑷Guardar PROFInet dispositivos en toda la dirección del proyecto.
El equipo PROFInet encapsula todas sus funciones en su software y proporciona interfaces variables para conectarse a otros equipos PROFInet. Cada variable de la interfaz variable representa una determinada subfunción, que incluye ejecutar, habilitar entrada/salida, restablecer, finalizar, detener, iniciar y error. En un dispositivo PROFInet puede estar encapsulado un controlador, un actuador o incluso una red de control. El dispositivo PROFInet que se muestra en la Figura 2 encapsula una red de control Profibus-DP.
Los dispositivos PROFInet se comunican a través de módulos DCOM. La conexión entre dispositivos PROFInet se puede realizar fácilmente en la interfaz gráfica del editor de conexión de dispositivos PROFInet. El proceso de producción de un fabricante de bebidas con cuatro enlaces de lavado, llenado, sellado y envasado se puede realizar conectando cuatro dispositivos PROFInet en serie (ver Figura 3).
Las interfaces de todos los dispositivos se definen consistentemente en PROFInet, por lo que se pueden combinar y reutilizar de manera flexible. Los usuarios no tienen que considerar el mecanismo operativo interno de cada dispositivo. Además, PROFInet también integra el perfil estándar de comunicación a prueba de fallas PROFIsafe para satisfacer las necesidades de seguridad integral del personal, el equipo y el medio ambiente, y puede usarse para aplicaciones a prueba de fallas. La implementación de la función de comunicación del dispositivo PROFInet se basa en el mecanismo de comunicación Ethernet tradicional (como TCP o UDP) y se ve mejorada por los mecanismos RPC y DCOM. DCOM puede considerarse como una extensión de la tecnología COM para aplicaciones distribuidas basadas en RPC y puede utilizar mecanismos de comunicación optimizados en tiempo real para aplicarse a aplicaciones que requieren rendimiento en tiempo real. Durante el funcionamiento, los dispositivos PROFInet se representan como objetos DCOM y la comunicación de los objetos DCOM se garantiza a través del mecanismo del protocolo de objetos. Los objetos COM aparecen en el bus de comunicación como PDU en forma de definiciones de protocolo DCOM. A través del protocolo de cableado DCOM, DCOM define la identificación de objetos y métodos con interfaces y parámetros relacionados, de modo que se puedan transmitir paquetes de información DCOM estandarizados en el bus de comunicación. Para una comunicación de nivel superior, PROFInet puede adoptar la tecnología de interfaz OPC (OLE for Process Control) integrada.
2.1 Métodos de comunicación básicos de PROFInet
PROFInet define tres métodos de comunicación diferentes según los diferentes escenarios de aplicación: comunicación estándar utilizando TCP/IP en tiempo real RT (tiempo real) y comunicación; sincronizar comunicaciones IRT en tiempo real. Los dispositivos PROFInet pueden seleccionar métodos de comunicación adecuados en función de los requisitos de comunicación.
PROFInet utiliza los protocolos Ethernet y TCP/IP como base de comunicación, proporcionando soporte absoluto para la comunicación TCP/IP en cualquier situación. Dado que la mayoría de las aplicaciones de automatización de fábricas tienen altos requisitos de tiempo de respuesta en tiempo real, para cumplir con los requisitos de tiempo real en la automatización, PROFInet estipula un canal de comunicación en tiempo real optimizado basado en la capa Ethernet 2. Esta solución reduce en gran medida la ocupación de la comunicación. tiempo de pila, mejorando el rendimiento en la actualización automática de datos. PROFInet no sólo minimiza la pila de comunicación en el controlador programable, sino que también optimiza la transmisión de datos en la red. Usando el estándar de comunicación PROFInet, el tiempo de respuesta del sistema a aplicaciones en tiempo real se puede acortar a 5~10ms. PROFInet también admite aplicaciones de control de movimiento síncrono de alto rendimiento. En esta aplicación, PROFInet proporciona comunicación síncrona en tiempo real (IRT) con un tiempo de respuesta de menos de 1 ms para 100 nodos. Esta función la proporciona el chip de conmutación síncrono en tiempo real ERTEC. incrustado en la capa 2. de. El ciclo de comunicación de PROFInet se muestra en la Figura 4.
En un ciclo de comunicación de un equipo PROFInet, incluye tanto la comunicación IRT en tiempo real como la comunicación estándar TCP/IP. La tecnología de comunicación PROFInet puede demostrar sus grandes ventajas en muchas aplicaciones.
La práctica de la ingeniería muestra que al utilizar la comunicación IRT proporcionada por PROFInet en situaciones de control de movimiento síncrono, el rendimiento del sistema mejorará casi 100 veces en comparación con las soluciones de bus de campo.
2.2 Integración de PROFInet y OPC
Dado que tanto PROFInet como OPC adoptan el mecanismo de comunicación DCOM, la tecnología de comunicación PROFInet se puede integrar fácilmente con la tecnología de interfaz OPC para realizar el procesamiento de datos en tiempos más recientes. . Intercambio a un alto nivel de comunicación. El equipo de interfaz OPC se usa ampliamente en el campo del control industrial. La tecnología de interfaz OPC define dos estándares de comunicación: OPC DA (Acceso a datos) y OPC DX (Intercambio de datos), que se utilizan respectivamente para transmitir datos en tiempo real y realizar el intercambio de datos entre ellos. Redes de control heterogéneas. La integración de la interfaz OPC DX en PROFInet puede lograr una conexión abierta con otros sistemas. El mecanismo de integración es el siguiente:
⑴ Basado en el mecanismo de comunicación en tiempo real de PROFInet, cada nodo PROFInet se puede direccionar como un. Servidor OPC;
⑵ Cada servidor OPC puede funcionar como un nodo PROFInet a través de interfaces estándar. La funcionalidad de PROFInet es muy superior a la de OPC. La integración de la tecnología PROFInet y la tecnología de interfaz OPC no solo puede cumplir con los requisitos de comunicación en tiempo real en el campo de la automatización, sino también lograr un mayor nivel de interacción entre sistemas. PROFInet es una tecnología de comunicación superior y se ha utilizado con éxito en el control inteligente distribuido. PROFInet abre nuevas perspectivas para la realización de estructuras de sistemas de automatización distribuida, permitiendo una modularización completa de todo el proyecto de la planta, incluidos los componentes mecánicos, eléctricos/electrónicos y el software de aplicación. PROFInet admite diversas formas de estructuras de red, minimizando los costos de cableado y garantizando un alto grado de disponibilidad. Además, los cables industriales especialmente diseñados y los conectores duraderos cumplen con los requisitos de temperatura y EMC y los estándares de forma, lo que garantiza la compatibilidad entre diferentes equipos de fabricación.
PROFInet no sólo se puede aplicar al control inteligente distribuido, sino que también puede entrar gradualmente en el campo de la automatización de procesos. En el campo de la automatización de procesos, PROFInet está formando estándares o soluciones para los problemas del suministro de energía del bus Ethernet industrial y la aplicación de Ethernet en el campo de la seguridad. El bus de campo Profibus integrado con PROFInet puede proporcionar soluciones superiores para la industria de la automatización de procesos (Figura 5). (mostrado):
Utilizando la tecnología de comunicación PROFInet, no solo se pueden integrar dispositivos de campo Profibus, sino que también se pueden integrar otros tipos de redes de bus de campo a través de servidores proxy (Proxy). Con este concepto de diseño unificado y preparado para el futuro, los componentes individuales pueden preensamblarse y probarse como módulos independientes en la fábrica y luego ensamblarse fácilmente en todo el sistema o reutilizarse en otros proyectos. Por ejemplo, para un fabricante de automóviles, la solución en tiempo real respaldada por PROFInet puede satisfacer plenamente los requisitos de tiempo de respuesta del taller de carrocería, el taller de pintura y el departamento de ensamblaje, así como la sincronización de tornos en los procesos de ingeniería mecánica y de producción de motores y cajas de cambios. Puede utilizar la función síncrona en tiempo real de PROFInet.
¿Qué factores se deben tener en cuenta a la hora de elegir la Ethernet industrial adecuada? En pocas palabras, debemos considerar el protocolo de comunicación Ethernet industrial, la fuente de alimentación, la velocidad de comunicación, la certificación del entorno industrial, el método de instalación, el impacto de la carcasa en la disipación de calor, las funciones de comunicación simples y las funciones de gestión de la comunicación, y los puertos eléctricos u ópticos. . Intensidad de la señal, configuración de puertos, alarmas de error, uso del puerto serie, redundancia troncal (TrunkingTM), redundancia de red en anillo, calidad de servicio (QoS), LAN virtual (VLAN), protocolo simple de administración de red (SNMP), duplicación de puertos, etc. disponible en conmutadores gestionados por Ethernet industrial.
Desde la redundancia rápida de árbol de expansión (RSTP), la redundancia de anillo (RapidRingTM) hasta la redundancia troncal (TrunkingTM),
el equipo Ethernet industrial incluye las siguientes partes importantes.
Hub de Ethernet industrial
Switch no administrado de Ethernet industrial
Switch administrado de Ethernet industrial
Switch administrado de Ethernet industrial Conmutadores redundantes
Los conmutadores redundantes gestionados avanzados proporcionan algunas funciones especiales, especialmente diseñadas para optimizar sistemas redundantes con requisitos estrictos de estabilidad y seguridad. Las principales formas de construir una red redundante incluyen las siguientes: STP, RSTP, redundancia de red en anillo RapidRingTM y Trunking.
1 Industrial Ethernet STP y RSTP
STP (Spanning Tree Protocol, algoritmo de árbol de expansión, IEEE 802.1D) es un protocolo de capa de enlace que proporciona redundancia de rutas y bloqueo de ciclos de redes. Fuerza la ruta de los datos de respaldo a un estado bloqueado. Si una ruta falla, se puede reconfigurar la topología y reconstruir el enlace activando rutas de respaldo. El tiempo de recuperación de la interrupción de la red es de entre 30 y 60 segundos. RSTP (Algoritmo de árbol de expansión rápida, IEEE 802.1w), como actualización de STP, acorta el tiempo de recuperación de interrupción de la red a 1-2 segundos. El algoritmo de árbol de expansión tiene una estructura de red flexible, pero también tiene la desventaja de una velocidad de recuperación lenta.
2 Redundancia de anillo Ethernet industrial
Para cumplir con las características en tiempo real de las redes de control industrial, nació RapidRing. Esta es una tecnología que utiliza una red en anillo para proporcionar redundancia de alta velocidad en una red Ethernet industrial. Esta tecnología permite que la red se recupere dentro de los 300 ms posteriores a una interrupción. También puede recordar a los usuarios las interrupciones de la red mediante métodos como conexiones de relé de error, luces de visualización de estado y configuraciones SNMP de conmutadores Ethernet industriales. Estos pueden ayudar a diagnosticar dónde está desconectada la red en anillo.
RapidRingTM también admite dos redes en anillo conectadas, lo que hace que la topología de la red sea más flexible y diversa. Los dos anillos están conectados a través de canales duales y estas conexiones pueden ser redundantes para evitar problemas causados por una falla de un solo cable.
3 Redundancia troncal de Ethernet industrial
Configure múltiples puertos de diferentes conmutadores como puertos troncales de Trunking y establezca conexiones, luego estos conmutadores de Ethernet industrial pueden formar enlaces troncales de alta velocidad. No sólo aumenta exponencialmente el ancho de banda de la red del enlace troncal y mejora el rendimiento de la red, sino que también proporciona otra función, a saber, la función de redundancia. Si el enlace troncal de la red se desconecta, los datos de la red se transmitirán a través de los enlaces restantes para garantizar una comunicación normal de la red. La red troncal troncal adopta un tipo de bus y una estructura de red en estrella, y la distancia de comunicación teórica se puede ampliar infinitamente. Esta tecnología utiliza métodos de detección de hardware y equilibrio de datos, por lo que el tiempo de recuperación de interrupción de la red alcanza un nuevo nivel y el tiempo de recuperación general es inferior a 10 ms. Hub
Creo que la mayoría de la gente está familiarizada con los hubs. Mucha gente utiliza este sencillo dispositivo para conectar varios dispositivos basados en Ethernet, como computadoras personales, controladores programables, etc. El concentrador recibe un mensaje de un determinado puerto y lo transmite a todos los demás puertos. Por cada mensaje que proviene de cualquier puerto, el concentrador lo entrega a cada uno de los demás puertos. Los centros son lentos e ineficientes cuando se trata de mensajería y pueden ocurrir conflictos de mensajes. Sin embargo, el hub es muy sencillo de usar: prácticamente plug and play. El centro no tiene ninguna extravagancia ni características redundantes.
Switch
Administrado
El producto de próxima generación en el desarrollo de equipos de conexión Ethernet es el switch administrado. En comparación con los concentradores y los conmutadores no gestionados, los conmutadores gestionados tienen funciones cada vez más complejas y el precio es mucho más alto, normalmente de 3 a 4 veces el de un conmutador no gestionado. Los conmutadores administrados ofrecen más funcionalidad y, a menudo, son completamente configurables a través de una interfaz basada en red. Puede interactuar automáticamente con dispositivos de red o los usuarios pueden configurar manualmente la velocidad de la red y el control de flujo para cada puerto. Es posible que algunos dispositivos más antiguos no puedan utilizar la función de interacción automática, por lo que la configuración manual es esencial.
La mayoría de los conmutadores administrados generalmente también ofrecen algunas funciones avanzadas, como SNMP (Protocolo simple de administración de red) para monitoreo y configuración remotos, mapeo de puertos para diagnóstico y agrupación de dispositivos de red VLAN (red de área local virtual). función de priorización utilizada para garantizar el paso de mensajes prioritarios, etc. Al utilizar conmutadores administrados, puede crear una red redundante. Utilizando una topología en anillo, los conmutadores administrados pueden formar una red en anillo. Cada conmutador administrado puede determinar automáticamente la ruta de transmisión óptima y la ruta de respaldo, y bloquear automáticamente la ruta de respaldo cuando se interrumpe la ruta de prioridad.
No gestionado
El desarrollo de los hubs ha producido un dispositivo llamado conmutador no gestionado. Puede implementar la función de enrutamiento de mensajes de un puerto a otro y es más inteligente que un concentrador. Los conmutadores no administrados pueden detectar automáticamente la velocidad de la red de cada dispositivo de red. Además, cuenta con una función llamada “tabla de direcciones MAC” que permite identificar y recordar dispositivos en la red. En otras palabras, si el puerto 2 recibe un mensaje con un identificador específico, el conmutador enviará todos los mensajes con ese identificador específico al puerto 2. Esta inteligencia evita conflictos de mensajes y mejora el rendimiento de la transmisión, lo que supone una gran mejora con respecto al centro. Sin embargo, los conmutadores no administrados no pueden implementar ningún tipo de detección de comunicación ni funciones de configuración redundantes.