Как подключить profinet к компьютеру

Обновлено: 06.07.2024

В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN.

В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».

Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.

Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.

Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff

Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.

Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.

Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.

Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):

Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.

Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.

Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.

Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens

Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.

Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.

Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.

Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmerica

В сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.

Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.

PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.

Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:

PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.

Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.

В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.

Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью.

Источник: PROFINET university lesson

Второй протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами.

Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R

Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно.

В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.

Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.

Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.

В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные.

Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.

Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation

Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.

Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.

Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.

Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.

Реализация протокола FBUS в компании Fastwel

Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.

Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.

FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.

Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Россия

Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП

Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).

Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.

Источник: HMS Networks AB

Как видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают лидирующие позиции.

В таблице ниже собраны сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность выражены абстрактными терминами: высокая /низкая. Числовые эквиваленты можно отыскать в статьях по анализу производительности.

Последовательность процесса H-CiR:

Варианты CiR / H-CiR

Изменения, которые возможны как операция CiR / H-CiR, зависят от того, имеет ли (измененное) устройство ввода-вывода функциональность CiR. Несколько изменений могут быть сделаны в процессе CiR / H-CiR. Рекомендуется всегда вносить изменения одновременно в одну строку.

Устройства ввода-вывода с поддержкой CiR имеют цветовую кодировку в HW ConFigure

Добавление или удаление устройств ввода-вывода

Никакие объекты CiR не требуются в PROFINET для добавления устройств ввода-вывода в качестве операции CiR / H-CiR.
Возможность добавления или удаления устройства ввода-вывода не зависит от того, поддерживает ли оно само устройство CiR или нет. Следует отметить, что соседние устройства должны поддерживать CiR, если параметрирование интерфейса должно быть отрегулировано во время операции CiR / H-CiR.

Назначение параметров интерфейса включает в себя включение или отключение портов, а также изменение настроенной топологии. Если один из этих шагов необходим для добавления или удаления, соседние устройства или соседние устройства в конце строки должны поддерживать CiR в качестве предварительного условия.

Диапазоны адресов в конфигурации в рабочем режиме (CiR)

В случае CiR / H-CiR с PROFINET никакие объекты CiR не требуются, и, следовательно, не нужно резервировать адресные пространства.
Если устройства ввода-вывода или подмодули должны быть добавлены и удалены во время операции CiR / H-CiR, необходимо соблюдать осторожность, чтобы логические адреса и номера устройств не использовались более одного раза во время операции CiR / H-CiR. Например, при удалении устройства с EB245 (входной байт) никакое другое устройство с EB245 не может быть добавлено на том же этапе. Этого можно избежать, сначала добавив новое устройство ввода-вывода или субмодуль в конфигурацию, а затем удалив устройство ввода-вывода или субмодуль, которое вы хотите удалить.

Время обновления в конфигурации в Run (CIR)

Чтобы установить время обновления устройств ввода-вывода, HW Config имеет три режима: «автоматический», «фиксированное время обновления» и «фиксированный коэффициент». При использовании конфигурации в рабочем режиме рекомендуется установить фиксированное значение времени обновления всех устройств, не поддерживающих CiR.
Причина в том, что во время автоматической настройки HW Config настраивает время обновления на основе устройств, присутствующих в системе ввода-вывода. Добавление или удаление устройств ввода-вывода может привести к изменению времени обновления (фактора), что возможно только в качестве конфигурации интерфейса в форме операции CiR / H-CiR с CiR-совместимыми устройствами.
В этом случае можно восстановить согласованность CiR, отменив изменения времени обновления соответствующих устройств, не поддерживающих CiR.

Протокол обнаружения канального уровня (LLDP) является независимым от производителя протоколом.
используется для обмена информацией между соседними устройствами. Служит для различных задач, в том числе для распознавания топологии сети.
При использовании конфигурации в рабочем режиме важно провести черту между двумя различными стандартами: режим LLDP V2.2 и V2.3.
При использовании CiR рекомендуется включить режим L2DP V2.2. Этот параметр находится в свойствах интерфейса PROFINET процессора.

Причина в том, что CPU 410-5H и более новые устройства ввода-вывода поддерживают оба режима, и HW Config автоматически определяет режим из настроенных устройств по умолчанию. Версия V2.3 используется, если все устройства поддерживают ее. В противном случае V2.2 используется, если одно из устройств не поддерживает более новую версию. Для конфигурации в рабочем режиме это особенно важно, если необходимо настроить только устройства с поддержкой V2.3.
В таком случае даже процессор использует версию V2.3. Если вам нужно было добавить устройство, которое поддерживает только режим LLDP V2.2, ЦП изменит режим LLDP на V2.2, и система потеряет свою способность CiR. То же самое относится и к сценарию, в котором все устройства ввода-вывода с V2.2 удаляются из смешанной системы ввода-вывода.

PROFINET – это инновационный открытый стандарт IndustrialEthernet (IEC 61158) для систем промышленной автоматизации.PROFINET обеспечивает доступ к устройствам полевого уровня со всех уровней управления предприятием.

PROFINET позволяет выполнять системно широкий обмен данными, поддерживает проектирование в масштабах предприятия и использует IT стандарты вплоть до полевого уровня.

Существующие сети полевого уровня (например, PROFIBUS) могут быть интегрированы в PROFINET без модификации установленной аппаратуры.

PROFINET учитывает множество аспектов:

Подключение сетей полевого уровня

PROFINET позволяет производить простое подключение существующих сетей полевого уровня. Подключение выполняется через модули, выполняющие функции proxy сервера. По отношению к сетям PROFIBUS или AS-Interface они выполняют функции ведущих устройств. В сети Industrial Ethernet они способны осуществлять обмен данными со станциями, поддерживающими стандарт PROFINET. Такой подход позволяет защищать инвестиции предприятий, сделанные на более ранних этапах построения системы автоматизации.

Обмен данными в пеальном масштабе времени

PROFINET базируется на Industrial Ethernet и использует стандарт TCP/IP (транспортный протокол/Internet протокол) для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики. Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными в сети Ethernet. PROFINET приборы способны поддерживать следующие виды обмена данными в реальном масштабе времени:

Real-time (RT) с использованием приоритетов и оптимизации коммуникационного стека партнера по связи. Это позволяет осуществлять эффективную передачу данных систем автоматизации через сеть со стандартными коммуникационными компонентами.
Isochronous real-time (IRT) - обмен данными в реальном масштабе времени с тактовой синхронизацией
Этот режим поддерживается аппаратурой специализированных сетевых компонентов и позволяет получать минимальное время цикла обновления данных. Режим находит применение в высокодинамичных распределенных системах автоматизации. Например, в распределенных системах управления перемещением.

Приборы полевого уровня для систем распределенного ввода-вывода

PROFINET позволяет выполнять подключение приборов полевого уровня систем распределенного ввода-вывода непосредственно к Industrial Ethernet. Для этой цели могут использоваться приборы с встроенным PROFINET-совместимым интерфейсом (например, IM 151-3PN или VS130-2). Полезные данные передаются в реальном масштабе времени. Операции конфигурирования и диагностики использую для передачи данных стандарты TCP/IP или IT.

Управление перемещением

IRT режим обмена данными позволяет создавать распределенные системы управления перемещением, включающих в свой состав большое количество приводов. Стандартный для приводов профиль PROFIdrive позволяет устанавливать связь между контроллерами и приводами различных производителей, объединяемых в единую систему через Industrial Ethernet или PROFIBUS.

Распределенный интеллект

PROFINET обеспечивает поддержку модульных систем автоматизации с распределенным интеллектом. Такие системы строятся на основе технологических модулей многократного использования, объединяющих в своем составе механическую, электрическую и электронную часть машины или установки, а также программу пользователя для управления этим оборудованием. На первом этапе создания системы с распределенным интеллектом выполняется разработка технологических модулей. На втором этапе выполняется графическое проектирование системы связи между технологическими модулями. Существенно упрощаются вопросы организации связи между технологическими модулями различных производителей, снижается время выполнения проектных работ и ввода в эксплуатацию готовых систем.

Монтаж сети

PROFINET позволяет выполнять монтаж сети без наличия глубоких специальных знаний. Открытый стандарт на основе Industrial Ethernet учитывает все требования для организации связи в промышленных условиях. PROFINET обеспечивает возможность простого конфигурирования типовых топологий промышленной сети: звездообразных, древовидных, линейных и кольцевых.
Руководство по монтажу сетей PROFINET содержит полный набор сведений, необходимых как на этапе монтажа, так и на этапе эксплуатации сети. Для передачи данных могут использоваться электрические, оптические или беспроводные каналы связи. Аппаратура различных производителей подключается к сети через стандартные соединители промышленного исполнения (степень защиты до IP65).
Для установки адресов и диагностики сетевых компонентов PROFINET использует IT стандарты DCP (discovery configuration protocol), DHCP (dynamic host configuration protocol) и SNMP (simple network management protocol).

IT стандарты и безопасность

Для использования Web-технологий данные PROFINET компонентов представляются в форматах HTML или XML. К данным систем автоматизации можно получить доступ из любой точки мира с использованием стандартного Web-браузера. Это значительно упрощает процессы выполнения пуско-наладочных работ и диагностики.
Возможность доступа к данным систем автоматизации через Internet требует использования специальных механизмов обеспечения безопасности. PROFINET поддерживает концепцию безопасности, которая может использоваться без наличия специальных знаний в области защиты данных и позволяет предотвращать ошибки оператора, а также попытки получения несанкционированного доступа и манипуляции с данными систем автоматизации.

Противоаварийная защита и автоматика безопасности

В распределенных системах автоматики безопасности и противоаварийной защиты (ПАЗ) на основе PROFIBUS для обмена данными между компонентами ПАЗ находит применение профиль PROFIsafe, позволяющий использовать для передачи данных стандартные каналы связи PROFIBUS. PROFINET тоже обеспечивает поддержку этого профиля, что упрощает решение вопросов построения систем ПАЗ в масштабах всего предприятия.

PROFINET является стандартом для всех прикладных областей автоматизации. За счет интеграции сетей PROFIBUS он также распространяется на автоматизацию оборудования, расположенного во взрыво- и пажароопасных зонах.

Для производителей аппаратуры и оборудования мы предлагаем всестороннюю поддержку, связанную с использованием PROFINET: специализированные микросхемы, комплекты разработки, обучение и многое другое.

PRONETA программа для диагностики и настройки PROFINET

Добавлено: Гриценко А.

Судя по описанию очень полезная утилита, для конфигурации PROFINET и проверки входов-выходов.
update: описание попыток заставить ее заработать :)

Установка и настройка PRONETA

VM Ware 5.0.2 build-1031769 – Windows XP Pro SP3 Eng
Virtual Box 4.2.10 r84104 – Windows XP Pro SP3 Rus
Windows 7 Ult SP1 Eng
Windows 7 Enterprise Eng
Доступ к сети из-под хостовой системы через WiFi роутер NETGEAR модель WNDR3700v3, кабель с роутера подключен к порту SCALANCE XF204-2:

Кабель с роутера был подключен в ближайший свободный порт. Доступ из Step7 к сети и программе – без всяких проблем.

Первый опыт проводился на Virtual Box.
При запуске программа спросит Вас о наличии драйвера WinPcap, если такового нет, то придётся его установить.
По завершению Вы должны увидеть окно:

После чего программа и установщик драйвера будут закрыты.
После этого необходимо запустить программу ещё раз.

После принятия всех условий идём дальше.

Анализ сети
Проверка распределённой периферии (входа/выхода)
Изменение настроек программы

Идём в настройки

Network Adapter Selection (выберите необходимый, щёлкнув ЛКМ)

General Settings

Я установил время сканирования в 100 мс и "флажок" для "Показывать неизвестные устройства в сети".
В разделе "GSDML Manager" Вы можете просмотреть устройства, о которых программа знает и добавить новые GSD файлы.
Я добавил файлы для SEW Drive, SICK, FESTO:

Последний раздел в комментариях не нуждается, я думаю.
После настройки переходим на главную страницу и выбираем "Анализ сети"
Появляется окно, где мы видим онлайн устройства…

Контроллера, да и вообще чего-либо из сети, кроме моей машины – не видно.
Идём в Configuration и добавляем S7 проект, НО он только в оффлайн.

Второй опыт из-под VM Ware Workstation – результат тот же.
После чего открываем мануал и…. видим (требования к ПО):

Требования к железу

Что же, будем запускать ПО под Windows 7 Ult SP1 (опыт третий). Попытка провалилась, потому как не оказалось установленного .NET Framework v4.0
Последняя попытка была предпринята из-под Windows 7 Enterprise Eng, при подключении кабелем вместо роутера – результат "0"!

На видео, которое было представлено компанией SIEMENS, момент сканирования онлайн сети показан не был, лишь только показан результат сканирования. Как оказалось, увидеть Ваши устройства не так уж и просто :)

Один из заявленных плюсов - возможность вести логи сигналов.

Конфигурация сети

Проверка входов-выходов

Читайте также: