Monitorowanie switchy przemysłowych w środowisku programistycznym TIA Portal

W jaki sposób odczytać status switchy Profinet? Wizualizacja i monitorowanie w TIA Portal - opis konfiguracji.

PROFINET - informacje podstawowe

Jak działa Profinet?

PROFINET jest nowoczesnym standardem komunikacyjnym dla automatyki, opartym na sieci przemysłowej Ethernet. Został opracowany przez organizację PROFIBUS & PROFINET International (PI). Używany jest głównie do komunikacji ze sterownikami PLC czy modułami I/O (wejść/wyjść). Pozwala na szybką i cykliczną wymianę danych między jednostką główną, a jednostkami podrzędnymi. Sygnały wejściowe i wyjściowe są wymieniane między kontrolerem i urządzeniami IO jako dane cykliczne - kontroler ustala czas odświeżania, który może być indywidualny dla każdego urządzenia. Profinet bazuje na standardzie Ethernet, co umożliwia wykorzystanie topologii identycznych jak w sieciach IT.

Na naszym blogu opisywaliśmy już wykorzystanie protokołu Profinet ze switchami przemysłowymi Moxa. Zachęcam do zapoznania się z jego treścią.

http://moxa.elmark.com.pl/2018/05/10/wykorzystanie-protokolu-profinet-w-sieciach-opartych-o-urzadzenia-moxa/

W tym wpisie, opisane zostaną możliwości monitorowania switchy przemysłowych Moxa, wykorzystując TIA Portal oraz SINEMA Server. Następnie przeprowadzimy konfigurację krok po kroku w programie TIA Portal.

Klasy zgodności - Conformance Classes

Klasy zawierają zestaw różnych minimalnych cech, które pozwalają przyporządkować urządzenie do odpowiedniej klasy zgodności. Klasy zgodności zostały podzielone na trzy kategorie w zależności od sposobu w jaki ruch Profinetowy jest obsługiwany. Obsługa każdej z klas wiąże się z określonym zachowaniem urządzeń transmisyjnych biorących udział w wymianie danych.

Zakres funkcji obsługiwanych przez PROFINET IO jest podzielony na klasy zgodności - Conformance Classes ('CC').

• Klasa 'A' zapewnia podstawowe funkcje dla PROFINET IO z komunikacją RT. Wszystkie usługi IT można stosować bez ograniczeń. Komunikacja bezprzewodowa (np. Wi-Fi) również jest zawarta w tej klasie.
• Klasa 'B' rozszerza klasę 'A' włączając diagnostykę sieci z wykorzystaniem mechanizmów IT - wymaga dodatkowego wsparcia protokołu SNMP (simple network management protocol) oraz mechanizmów redundancji systemu.
• Dla najbardziej wymagających aplikacji wydzielona została Klasa 'C'.  Opisuje podstawowe funkcje dotyczące urządzeń z rezerwacją przepustowości oraz synchronizacji (komunikacja IRT) i stanowi bazę dla aplikacji izochronicznych.

W poniższej tabelce, graficznie przedstawiono podział sieci Profinet na trzy klasy zgodności (Conformance Classes):

Klasy zgodności Real Time

Sieci Profinet podzielone zostały na trzy klasy w zależności od sposobu w jaki ruch Profinetowy jest obsługiwany. Obsługa każdej z klas wiąże się z określonym zachowaniem urządzeń transmisyjnych biorących udział w wymianie danych.

Poniższy rysunek przedstawia poszczególne klasy Profinetu oraz podział pod względem trybów pracy Real time:

 

Protokół Profinet został podzielony również na klasy Real Time, w zależności od szybkości cyklicznej wymiany danych.

• RT Class 1: 512 - 1 ms
• RT Class 2: 1 ms - 10 µs
• RT Class 3: < 10 µs

Przemysłowe switche Moxa ze wsparciem Profinetu są zgodne z RT Class 1. W związku z tym cykliczna wymiana danych możliwa jest w czasie: 128 ms, 256 ms lub 512 ms (domyślnie ustawiona wartość to 128 ms).

Informacje o wspieranej klasie Real Time można odczytać w pliku GSD -
tag = SupportedRT_Classes

Jaki switch Moxa wykorzystać do obsługi Profinetu?

Do infrastruktury sieciowej zgodnej z klasą CC-A można zastosować switche przemysłowe, które spełniają następujące wymagania:

• Obsługa prędkości 100 Mbps full duplex z funkcją autonegocjacji - zgodność z IEEE 802.1D,
• Obsługa funkcji priorytetyzacji danych cyklicznych z wykorzystaniem sieci VLAN - tag priority 6 -zgodność z IEEE 802.1Q,
• Obsługa wykrywania dołączonych, sąsiednich urządzeń - zgodność z protokołem Link Layer Discovery Protocol (LLDP).

Możliwe jest zastosowanie w jednej sieci dwóch rodzajów switchy przemysłowych. Switche niezarządzalne, które działają na zasadzie "store-and-forward" po prostu przesyłają dane do docelowych na podstawie tablicy adresów MAC. Jednak, ze względu na diagnostykę i dostęp do sieci, zaleca się stosowanie jedynie switchy zarządzalnych.

W poniższej tabelce znajduje się podsumowanie oferowanych usług przez zwykłe switche niezarządzalne jak i switche zarządzalne ze wsparciem Profinetu.

Poniżej pełna lista switchy zarządzalnych Moxa na szynę DIN, które oferują wsparcie dla Profinet-u:

• SDS-3008
• EDS-405A-PN/EDS-408A-PN
• EDS-510E
• EDS-G508E
• EDS-G512E
• EDS-G516E
• EDS-518E
• EDS-528E
• EDS-P506E
• EDS-G512E-8PoE

W zestawie demo, który jest przedmiotem tego artykułu zostały wykorzystane 3 switche: SDS-3008, EDS-510E-3GTXSFP oraz EDS-G512E-4GSFP. Dlaczego dokładnie takie? Switch SDS-3008 to prosty smart switch, który posiada podstawowe funkcje zarządzania. Dodatkowo, posiada bardzo kompaktowe rozmiary (tylko 2 cm szerokości), dzięki czemu idealnie sprawdzi się w szafkach sterowniczych, w którym miejsce ma kluczowe znaczenie.

Więcej informacji o SDS-3008 można znaleźć na naszym blogu:

http://moxa.elmark.com.pl/2019/05/16/sds-3008/

Natomiast switche zakończone literką "E", czyli cała seria EDS-500E oraz EDS-G500E są to najbardziej zaawansowane switche zarządzalne Moxa. Posiadają rozbudowane mechanizmy zarządzania, cyberbezpieczeństwa oraz dodatkowo wspierają protokół redundantny Turbo Ring, który umożliwia rekonfigurację sieci i przełączanie na zapasową ścieżkę w czasie krótszym niż 20 ms (FastEthernet) oraz 50 ms (GigabitEthernet). Dodatkowo posiadają gigabitowe porty światłowodowe, co niewątpliwie jest ogromną zaletą, zwłaszcza w środowisku przemysłowym.

Transmisja danych kablami światłowodowymi ma liczne zalety w porównaniu z kablami miedzianymi. Są to m.in.:

• izolacja elektryczna,
• odporność na silne zakłócenia EMC
• transmisja danych na duże odległości, bez konieczności stosowania repeaterów sygnału.

Dodatkowo, wszystkie wyżej wymienione zarządzalne switche oferują wsparcie Profinetu w klasie Real Time 1, a także wspierają otwarty protokół SNMP, który pozwala na monitorowanie urządzeń w aplikacjach innych producentów.

W poniższej tabelce znajduje się porównanie switchy przemysłowych Moxa ze wsparciem Profinetu.

Konfiguracja

Model systemu PROFINET IO

Po części wstępnej, z podstawowymi informacjami o Profinecie, najwyższy czas przejść do etapu konfiguracji naszych urządzeń. Topologia, która została zbudowana dla potrzeb niniejszego artykułu została przedstawiona na poniższym rysunku:

 

Do dyspozycji mamy:

• sterownik swobodnie programowalny Siemens PLC - CPU 1212FC DC/DC/DC
• laptop z zainstalowanym środowiskiem programistycznym TIA Portal v15.1
• dwa switche zarządzalne - EDS-G512E oraz EDS-510E, które pracują w konfiguracji Turbo Ring, zapewniając redundancję sieci - rekonfigurację w czasie krótszym niż 20 ms
• smart switch SDS-3008
• rozproszony moduł wejść/wyjść - distributed I/O - IM 155-6 PN ST

Profinet IO oparty jest na modelu wymiany danych provider/consumer. Zdefiniowane są następujące klasy urządzeń dla sieci PROFINET IO:

• IO controller: zazwyczaj jest to programowalny sterownik (PLC), w którym wykonywany jest program sterowania.
• IO device: stacja IO device jest urządzeniem polowym I/O podłączonym do jednej lub kilku stacji IO controller poprzez sieć
  PROFINET IO. Stacja IO jest dostawcą danych wejściowych i odbiorcą danych wyjściowych.
• IO Supervisor: zazwyczaj jest to urządzenie programujące, komputer osobisty (PC) lub panel operatorski (HMI) w celu uruchomienia lub diagnostyki.

Układ sterowania na obiekcie zawiera minimum jedną stacją IO controller lub kilka stacji IO device. Stacja IO supervisor zazwyczaj instalowana jest tymczasowo do uruchomienia lub diagnostyki.

 

Proces konfiguracji możemy podzielić na kilka etapów, mianowicie:

1. aktywacja wsparcia dla Profinetu
2. zaimportowanie opisu urządzanie (pliku GSD) do programu TIA Portal
3. dodanie urządzeń do projektu
4. adresacja urządzeń
5. wgranie konfiguracji do sterownika PLC
6. konfiguracja wymiany danych cyklicznych i innych parametrów switcha
7. nawiązanie komunikacji, monitorowanie statusu urządzeń

Aktywacja wsparcia Profinetu

Oczywiście na początku warto pamiętać o włączeniu najważniejszej funkcji, bez której pozostałe kroki nie mają sensu. Mowa tutaj oczywiście o aktywacji usługi Profinetu. Domyślnie jest ona włączona na switchach EDS-400A-PN. Na pozostałych switchach należy ją uruchomić ręcznie, zgodnie z poniższymi instrukcjami. Najwygodniej do tego celu wykorzystać przeglądarkę internetową, gdzie po wpisaniu adresu IP urządzenia ukaże nam się interfejs webowy. Możliwe jest jednoczesne wgranie konfiguracji, która pozwoli na wsparcie kilku protokołów równocześnie (EtherNET/IP, PROFINET oraz Modbus TCP).

• Dla switcha SDS-3008 wystarczy w interfejsie webowym kliknąć na ikonkę PROFINET

• Dla switchy serii EDS-500E, EDS-G500E, EDS-P500E należy przejść do zakładki Industrial Protocol, a następnie aktywować PROFINET IO.

Opis urządzenia - instalacja pliku GSD

Aby umożliwić projektowanie systemu, wymagany jest do konfiguracji plik GSD (General Station Description) danego urządzenia polowego. Plik GSDML w formacie XML opisuje właściwości i funkcje stacji polowej
PROFINET IO. Zawiera on wszystkie dane istotne dla projektowania, jak również wymianę danych z urządzeniem. Producent urządzenia polowego musi dostarczyć plik GSD w formacie XML, zgodnie ze specyfikacją GSDML.

Skąd taki plik wziąć? To nic trudnego - wystarczy znaleźć odpowiednie model przełącznika na naszej stronie internetowej:
Switche zarządzalne Moxa

Następnie przejść do zakładki Dokumentacja i oprogramowanie. Zostaniemy przekierowani do strony producenta, gdzie można znaleźć interesujący nas plik GSD.

Po pobraniu i rozpakowaniu pliku, w kolejnym kroku należy go zainstalować w TIA Portal.

W tym celu, należy przejść do zakładki Options -> Manage general station description files (GSD)

Następnie należy wskazać ścieżkę dostępu do pobranego pliku/plików (1), wybrać pliki i kliknąć przycisk Install (2).

Dodanie nowych urządzeń w projekcie

Rozpoczynając pracę w TIA Portal, do dyspozycji mamy pusty projekt. Musimy oczywiście nadać mu nazwę, dodać wykorzystywany sterownik PLC oraz inne urządzenia.

Aby dodać switche Moxa do projektu, najwygodniej przejść do zakładki Devices & networks, a następnie wybrać Network view. Naszym oczom powinno ukazać się poniższe okno. Aby dodać switch Moxa należy skorzystać z katalogu wspieranych urządzeń - Hardware catalog. Najwygodniej po prostu wpisać w wyszukiwarkę nazwę switcha, lub słowo moxa (1). W kolejnym kroku należy przeciągnąć ikonkę (2) w pole Network view (3) oraz przypisać urządzenie do odpowiedniego interfejsu PN/IE (4) - (PN= PROFINET, IE= Industrial Ethernet).

Z kolejnymi urządzeniami należy postąpić w podobny sposób. Po tym etapie, urządzenia, które dodaliśmy składają się na następującą topologię:

Adresacja urządzeń

W systemie PROFINET IO każde urządzenie polowe odbiera nazwę symboliczną, która jednoznacznie identyfikuje urządzenie w obrębie systemu IO. Nazwa ta jest używana dla przyporządkowania adresu IP z adresem MAC urządzenia polowego. Do tego celu wykorzystywany jest protokół DCP (Discovery and Basic Configuration Protocol). Nazwa ta jest przypisywana do poszczególnych urządzeń, a tym samym do poszczególnego adresu MAC urządzenia IO device podczas uruchomienia (inicjalizacji) urządzenia. Opcjonalnie, nazwę można również przypisać automatycznie do urządzenia poprzez IO controller. Adres IP przypisywany jest na podstawie nazwy urządzenia, z wykorzystaniem protokołu DCP. Możliwe jest również wykorzystanie protokołu DHCP.

Nazwę switcha i adres IP można skonfigurować w zakładce Device configuration -> General -> Ethernet addresses.

Jeżeli wstępna konfiguracja adresacji urządzeń została wykonana, można wgrać konfigurację do urządzeń. Poprawnie skonfigurowane urządzenia powinny być widoczne po wyszukiwaniu ich w TIA Portal w zakładce Accessible devices.

Cykliczna i acykliczna wymiana danych

Dane cykliczne I/O przesyłane są bez potwierdzenia jako dane czasu rzeczywistego w ustawionym czasie bazowym. Czas cyklu można ustawić indywidualnie dla każdego z połączeń w danej stacji, co pozwala na adaptację wymagań do poszczególnych aplikacji.

Dane cykliczne w switchach Moxa wymieniane są w czasie Real Time z interwałem czasowym (128 ms, 256 ms lub 512 ms, gdzie domyślną wartością jest 128 ms).

Odpowiednią wartość można ustawić dla każdego urządzenia oddzielnie w zakładce: Device configuration -> General -> Real time settings -> Update time:

Dane cykliczne dostarczają kluczowych informacji o urządzeniu, a w szczególności status zasilania, statusy portów i statusy redundancji.

W poniższej tabelce przedstawiono opis cyklicznych danych dla switcha EDS-408A-PN.

Acykliczna wymiana danych może być wykorzystywana do przypisywania parametrów lub konfiguracji stacji IO device oraz do odczytu informacji statusowych. Informacje diagnostyczne sieci i z urządzeń mogą być odczytywane przez użytkownika w dowolnym czasie, z każdego z urządzeń. Dodatkowo, można również odczytywać informacje identyfikacyjne i serwisowe, dla dokładnej identyfikacji stacji i modułów - oraz ich wersji. Możliwość odczytu informacji identyfikacyjnych ze stacji polowej jest bardzo praktyczne z punktu widzenia służb utrzymania ruchu.

W poniższej tabelce zostały zaprezentowane główne parametry PROFINET IO. Możemy monitorować m. in alarmy wynikające z awarii zasilania, portów czy protokołów redundantnych.

Powyższe dane można odczytać i zmienić (alarmy) w zakładce Device configuration->General

Nawiązanie konfiguracji oraz monitorowanie statusów urządzeń

W poprzednim rozdziale wspomniałem, iż możliwe jest monitorowanie cyklicznych danych wymienianych przez switche przemysłowe ze sterownikiem. W jaki sposób można to osiągnąć w TIA Portal?

1. Należy przejść do zakładki Device overview dla danego przełącznika
2. W zakładce Catalog rozwinąć opcję Module. Dostępne są w niej Device data oraz Port data.
3. Moduły należy przeciągnąć i umieścić w odpowiednim slocie.
4. W zakładce IO tags znajduje się lista wszystkich zmiennych binarnych:

Odpowiedni stan każdej zmiennej (0 lub 1) determinuje wartość parametru. Wspierane parametry zostały opisane w poprzednim rozdziale.

W programie TIA Portal wszystkie zmienne mogą być monitorowane grupowo w zakładce PLC tags (1). W polu Name (2) należy wpisać nazwę zmiennej, a polu Address (3) po prostu adres tagu. Klikając przycisk Monitor all (4) można na bieżąco monitorować status wszystkich zmiennych. Zgodnie z poniższym rysunkiem, widzimy iż urządzenie działa poprawnie (Device status), uaktywniony został protokół redundantny Turbo Ring v2, którego status jest poprawny. Status Turbo Ring v2 zmienni się na "False" jeżeli nastąpi awaria linii głównej.

Wszystkie zmienne można komfortowo wykorzystywać w pisaniu programu oraz do wizualizacji. Szczególnie interesujące są informacje o stanie zasilania, a także o protokołach redundantnych. W przypadku zmiany stanu zmiennych, w programie sterownika PLC można zaprogramować określoną ścieżkę działań i różnych warunków.

Diagnostyka sieci i zarządzanie

Web serwer

PROFINET bazuje na sieci Ethernet i obsługuje protokół TCP/IP. Umożliwia to także korzystanie z technologii internetowych, takich jak dostęp do serwera sieci web zintegrowanego na urządzeniu polowym. W zależności od wykonania konkretnego urządzenia można łatwo odczytywać dane diagnostyczne, czy inne informacje za pomocą przeglądarki internetowej.

Web server można uaktywnić na sterowniku PLC w zakładce General -> Web server gdzie można definiować konta użytkowników razem z uprawnieniami.

Po wgraniu konfiguracji do sterownika, wpisując adres sterownika w przeglądarce uzyskujemy dostęp do informacji o urządzeniu.

Alarmy

Koncepcja alarmów obejmuje technologie wykrywania zdarzeń systemowych (np. wkładanie i wyjmowanie modułów) jak również sygnalizacje awarii, które zostały wykryte przez stację (np. brak napięcia zasilania lub przerwany przewód).

Alarmy można uaktywnić dla całego urządzenia:

oraz dla konkretnego portu:

W przypadku wykrycia awarii, pojawia się odpowiedni komunikat, a sam sterownik sygnalizuje błąd.

Błąd wynikający z awarii zasilania:

Błąd wynikający z awarii portu:

SINEMA Server

Klasa zgodności B zapewnia rozszerzoną diagnostykę sieci dla wszystkich stacji PROFINET Device oraz możliwość wykrywania topologii. Informacje te są tworzone na podstawie plików MIB oraz rozszerzone o protokół LLDP i mogą być odczytywane za pomocą protokołu SNMP.

W istniejących sieciach, protokół SNMP jest stosowany zasadniczo jako standard dla serwisu i monitoringu komponentów sieciowych i ich funkcji. Do celów diagnostycznych protokół SNMP może odpytywać komponenty sieciowe w celu uzyskania danych statystycznych typowych dla sieci jak również dane specyficzne dla portów itp.

SINEMA Server jest oprogramowaniem przeznaczonym do monitorowania i zarządzania rozległa infrastrukturą sieciową. SINEMA Server umożliwia monitorowanie wszystkich aktywnych urządzeń w sieci, urządzeń komunikacji bezprzewodowej, sterowników PLC, SINEMA Server pozwala diagnozować stany alarmowe na urządzeniach, pobieranie informacji o stanie oraz zaawansowanych danych statystykach pracy urządzenia. Informacje te pobierane są za pomocą protokołu SNMP lub w razie, gdy urządzenie nie wspiera SNMP wykorzystywany jest protokół DCP. Sinema Server wspiera także urządzenia, które wykorzystują protokoły: ICMP, DCP, ARP, LLDP, MIB.

Redundancja

W przypadku, gdy wymagana jest zwiększona niezawodność, należy zaimplementować redundantną komunikację w systemie, a zaplanowane stacje polowe/switche muszą obsługiwać mechanizmy redundancji. Komunikację redundantną można stworzyć poprzez wykorzystanie topologii ringu. W przypadku przerwania linii, połączenie do wszystkich węzłów zostanie zapewnione poprzez dodatkowe połączenie, które w przypadku prawidłowego działania sieci jest nieaktywne.

Redundancja sieci może być zapewniona z wykorzystaniem autorskiego protokołu Turbo Ring/Turbo Chain Moxy, które zapewniają szybką rekonfigurację sieci i zerowe czasy przestoju urządzeń.

W jaki sposób można skonfigurować Turo Ring na switchach przemysłowych Moxa? Możesz sprawdzić na naszym blogu:

http://moxa.elmark.com.pl/2018/10/28/konfiguracja-protokolu-redundantnego-turbo-ring-na-switchach-moxa/

Wizualizacja Turbo Ringu na panelach HMI

Parametry wymieniane cyklicznie mogą być wykorzystywane również do wizualizacji w systemach SCADA lub panelach HMI. Do tego celu została utworzona prosta wizualizacja statusu Turbo Ringu.

Poniższy rysunek przedstawia prawidłowy stan. Jedno połączenie jest aktywne (kolor zielony), a drugie połączenie jest blokowane (kolor szary).

W przypadku awarii głównego połączenia, komunikacja przechodzi automatycznie (w czasie krótszym niż 20 ms) na połączenia zapasowe, które teraz oznaczone jest kolorem zielonym, natomiast linia, która uległa awarii oznaczona jest kolorem czerwonym.

Podsumowanie

Switche Moxa oferują kilka mechanizmów diagnostyki i zarządzania. Można do tego celu wykorzystać oprogramowanie programistyczne TIA Portal, a także SINEMA Server. W gruncie rzeczy nie ma ograniczeń co do oprogramowania konkretnego producenta. Switche Moxa wspierają otwarty protokół SNMP, który umożliwia monitorowanie urządzeń w różnych programach inżynierskich. W kontekście niezawodności komunikacji przemysłowej, switche Moxa oferują dodatkowe mechanizmy, które minimalizują awarię. Zaczynając od samego hardware'u - np. redundancja zasilania, a kończąc na Turbo Ringu. Dodatkowo, metalowa obudowa, praca w szerokim zakresie temperaturowym, spełnione wyśrubowane normy bezpieczeństwa, odporności na zakłócenia sprawiają, iż switche przemysłowe Moxa idealnie sprawdzą się w zastosowaniach typowo przemysłowych.

http://moxa.elmark.com.pl/funkcje-zarzadzalnych-switchy-moxa-eds/

W przypadku pytań, można się z nami skontaktować drogą mailową: moxa@elmark.com.pl

Zachęcamy do śledzenia naszego bloga, a w szczególności wpisów związanych z Profinetem. Niedługo pojawią się podobne artykuły z opisem bram komunikacyjnych konwertujących Profinet na inne protokoły przemysłowe, a także komunikacja Profinetu przez sieć]ci bezprzewodowe Wi-Fi.

W artykule wykorzystano następujące źródło:
https://www.automation.com/pdf_articles/profinet/PI_PROFINET_System_Description_EN_web.pdf