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Installatiebouw
met Profinet
Snel omstellen wordt kritische keuzefactor
Ing.Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
version française
De ontwikkeling van de industriële automatiseringswereld naar meer openheid,
waardoor machines en installaties modulair opgebouwd kunnen worden, zorgt voor
significante tijds- en kostenbesparing voor de installatiebouwer. Machines
voeren steeds meer functies uit en worden daardoor alsmaar complexer. In vele
takken van de industrie worden de lotgrootten of rungrootten kleiner, waardoor
de productie dan weer flexibeler moet worden. Dit heeft natuurlijk als gevolg
dat er meer omgebouwd en omgesteld moet worden, en dit in toenemende mate een
onderscheidende factor wordt. Modulair gestructureerde installaties en
decentrale periferie kunnen hierbij een belangrijke bijdrage leveren.
Tegelijkertijd vindt er een trend plaats van ethernet als communicatiemiddel in
de productieomgeving. Enerzijds is dit een kostenkwestie omdat door direct
gebruik van ethernet, het gebruik van meerdere communicatiesystemen zoals
bijvoorbeeld ethernet en een veldbus, wordt vermeden. Anderzijds is het bij
installatie-uitbreiding dikwijls noodzakelijk bestaande installaties onveranderd
te integreren. Profinet onderscheidt zich hierbij door Profinet IO voor
ethernet-gebaseerde integratie van decentrale periferie, en door Profinet CBA
voor de opbouw van modulaire machines en installaties. Voor de integratie van
veldbusgebaseerde susbsystemen staat het Proxy-concept ter beschikking.
Bijzondere aandacht werd hierbij besteed aan een efficiënte en
gebruiksvriendelijke engineering.
Profinet IO
Profinet IO maakt het mogelijke om decentrale veldmodules te integreren in
ethernet. Daarmee kunnen alle gebruikte toestellen en modules in een zelfde en
transparante netwerkstructuur aangesloten worden, en worden, zowel de
innovatiepotentialen van ethernet en de IT-standaard gebruikt, evenals de
jarenlange ervaring van de Profibus-technologie ondergebracht. De verdere
ontwikkeling van de gebruikers-interfaces van Profibus DP bij projectering,
programmering en diagnose garandeert daarbij een kleine en eenvoudige overstap,
daar de reeds aanwezige gebruikers-knowhow verder gebruikt kan worden. Profinet
IO specificeert de totale gegevensuitwisseling tussen IO-controllers en de
IO-devices, evenals de parametrering en diagnose. In tegenstelling tot oudere
ethernetversies, is Profinet IO wel in staat om zeer snel gegevens met
cyclustijden van minder dan enige milliseconden tussen op ethernet gebaseerde
veldmodules uit te wisselen.
Profinet CBA
De grondgedachte van Profinet CBA (Component Based Automation) is dat een
volledige automatiseringsinstallatie in autonoom werkende deelinstallaties kan
opgedeeld worden. De opbouw en de functionaliteit kan zich vrij in meerdere
installaties in identieke of licht aangepaste vorm terugvinden. Dergelijke
zogenoemde Profinet-componenten worden normaliter door een bepaald aantal
ingangssignalen gestuurd. Binnen deze componenten voert een door de gebruiker
geschreven sturingsprogramma de gedefinieerde functionaliteit door en geeft de
bijhorende uitgangssignalen door aan een andere sturing. De daarbij horende
engineering is fabrikantonafhankelijk. De communicatie van een
componentgebaseerde systeem word geprojecteerd. Profinet CBA is met cyclustijden
in de grootteorde 100ms zeer geschikt voor communicatie tussen sturingen
onderling.
Modulaire opbouw
Nemen we nu bijvoorbeeld een bottelarij met een installatie voor het
afvullen van flessen met een welbepaalde drank. Meestal bestaat deze machine uit
vier deelmachines, namelijk de spoelinstallatie, de vulinstallatie,
kurkinstallatie en de verpakkingsinstallatie. In dit geval vormt de toepassing
van Profinet een duidelijk voordeel. Bij Profinet CBA wordt de installatie in
technologische modules opgedeeld, die naast de mechanische en elektrische ook
een sturingsfunctionaliteit bevat. Profinet CBA realiseert de verdeelde
automatisering door middel van een open componentenmodel. Daarmee kunnen
machines en installaties van verschillende fabrikanten op basis van een autonoom
werkende technologische module tot een verwante installatie samengebouwd worden.
Het opzetten van deze modulaire structuur vergemakkelijkt het terug ontwikkelen
en gebruiken, en de standaardisering van dergelijke machinedelen.
Integratie van decentrale periferie
Binnen een machine kan de geïntegreerde decentrale periferie door middel van
Profinet IO communiceren. Zoals bij Profibus DP worden bij Profinet in de
module- en netwerkprojectering van de PLC de decentrale veldmodules opgezet. De
periferiesignalen van de veldmodules worden cyclisch ingelezen in de PLC, daar
verwerkt en vervolgens terug naar de veldmodules uitgestuurd. Bij Profinet IO
wordt een Provider/consumer-model gebruikt, dat de communicatieverhouding tussen
gelijke deelnemers op ethernet ondersteund. Naast de cyclische
gegevensuitwisseling biedt Profinet IO ook functies voor de overdracht van
diagnosegegevens, parametrering en alarmen van en naar de periferie.
Engineering bij Profinet
Als gevolg van een toenemende functieomvang en daarmee een grotere
complexiteit van automatiseringsinstallaties wordt de engineering voor de
gebruiker alsmaar uitgebreider. Daarmee wordt er een groot potentieel gecreëerd
om de kosten van het ontwerp van een installatie tot de inbedrijfsname ervan uit
te sparen. De engineering behelst het projecteren van een installatie, het
definiëren van de gegevensuitwisseling en het laden van de opbouwgegevens in de
veldmodule. Het voordeel bij Profinet CBA is dat bij het opzetten van een open
modulair systeem, modules van verschillende fabrikanten in eenzelfde installatie
op een eenvoudige en snelle manier geïntegreerd kunnen worden.
Profinet IO heeft het voordeel dat de reeds opgedane know-how van Profibus nog
altijd bruikbaar is voor het ontwikkelen van een Profinet IO-netwerk.
Engineering bij Profinet CBA
Voor het opzetten van een Profinet CBA-systeem met deelnemers van
verschillende fabrikanten, wordt een engineeringconcept ter beschikking gesteld
dat de programmering van de besturingslogica van de individuele modules en het
opzetten van het totale installatienetwerk onderscheidt. Een
installatieoverkoepelende toepassing wordt in drie stappen opgezet: het bepalen
van de componenten, het verbinden van componenten en het downloaden van de
verbindingsinformatie in de veldmodule. Profinet-componenten worden door een
genormeerde PCD (Profinet Component Description) beschreven. Deze beschrijving
gebeurt in de vorm van een XML-bestand met een van Profinet CBA vooropgesteld
schema en wordt door fabrikantgespecificeerde tools ingeladen. In het andere
geval kan de PCD-data in een fabrikantonafhankelijke Profinet Component Editor
gebruikt worden. In een PCD zijn alle gegevens voorzien die nodig zijn voor de
communicatie van het engineeringsysteem. Daarmee kan elke
Profinet-engineering-tool de gegevens van de componenten verwerken. De PCD wordt
door de machinebouwer met de hulp van de door de modulefabrikant ter beschikking
gestelde ontwikkelingsomgeving opgebouwd.
Het verloop van de installatie wordt door het grafisch verbinden van de in- en
uitgangen van de componenten in de editor opgebouwd. Met deze tool worden de
communicatieverhoudingen tussen intelligente modules van verschillende
fabrikanten zonder complex programmeringswerk opgebouwd. De gebruiker werkt
daarbij enkel met technologische begrippen. Een editormodule beschikt meestal
over twee overzichten: het installatieoverzicht en het netwerkoverzicht. In het
installatieoverzicht worden de benodigde componenten uit een bibliotheek
geïmporteerd, op het beeldscherm geplaatst en eenvoudig verbonden. Daarmee
ontstaat de technologische structuur en de logische relatie binnen de
installatie. De topologische structuur van het automatiseringssysteem wordt in
het netwerkoverzicht opgebouwd. Hier worden de veld- en automatiseringsmodules
van een bussysteem ingedeeld en de moduleadressen vastgelegd.
Profinet IO: vertrouwde omgeving
Het Profinet IO-systeem is bewust gelijkvormig aan het Profibus-systeem
gehouden. Voor de gebruiker is er geen verandering zichtbaar. Ook bij
engineering is de projecteringsmethode van het netwerk identiek en vertrouwd
gebleven. Iedere Profinet IO-veldmodule is beschreven door GSD-data, gebaseerd
op de XML-georiënteerde standaard GSDML (Generic Station Description Markup
Language).
De GSD-gegevens worden door de fabrikant ter beschikking gesteld en zijn door
een icoon in de bibliotheek van het engineeringsysteem voorgesteld. Met drag en
drop kan de gebruiker de veldbusnetwerkstructuur opzetten, waarna de
busconfiguratie door de engineeringtool ingeladen kan worden in de
IO-controller.
Het verschil met Profibus ligt bij de adrestoewijzing van de aangesloten
IO-devices. Hier voorziet Profinet het DCP (Discovery and Basic Configuration)
of het DHCP-protocol (Dynamic Host Configuration Protocol). De toewijzing van de
IP-adressen voor de IO-modules gebeurt automatisch door de IO-controller door
middel van DCP.<<
L’ingénierie de
Profinet
dans un environnement de production
Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
L’ouverture de plus en plus grande du monde de l’automatisation industrielle
permet une construction modulaire des machines et installations et assure des
gains de temps et d’argent considérables pour le constructeur d’installations.
Les machines réalisent davantage de fonctions et deviennent de ce fait toujours
plus complexes. Dans de nombreux secteurs de l’industrie, la taille des lots ou
des cycles ne cesse de diminuer, imposant à la production une flexibilité
accrue. Cela exige naturellement plus de conversions et de réglages mais
constitue un facteur distinctif. Les installations modulaires et la périphérie
décentralisée peuvent apporter une contribution substantielle à ce concept.
Nous assistons simultanément à une tendance qui consiste à utiliser Ethernet
comme outil de communication dans l’environnement de production. D’une part,
l’utilisation directe d’Ethernet évite le recours à plusieurs systèmes de
communication comme par exemple Ethernet plus un bus de terrain, ce qui permet
une économie. D’autre part, lors d’une extension d’installation, il est souvent
nécessaire d’intégrer les installations existantes telles quelles. Profinet se
distingue dans ce contexte avec Profinet IO pour l’intégration basée sur
Ethernet de la périphérie décentralisée et avec Profinet CBA pour la
construction de machines et installations modulaires. Le concept Proxy est là
pour l’intégration de sous-systèmes basés sur un bus.
Profinet IO
Profinet IO permet d’intégrer des modules de terrain décentralisés dans
Ethernet. Tous les appareils et modules utilisés peuvent être raccordés dans une
même structure de réseau transparente. Profinet IO utilise tant les potentiels
d’innovation d’Ethernet que le standard IT, tout en s’appuyant sur la longue
expérience de la technologie Profibus. Le développement plus poussé des
interfaces utilisateurs de Profibus DP lors de la conception, de la
programmation et du diagnostic de l’application garantit une transition simple
et rapide. Profinet IO spécifie l’ensemble de l’échange des données entre les
contrôleurs IO et les appareils IO, de même que le paramétrage et le diagnostic.
Contrairement aux versions plus anciennes d’Ethernet, Profinet IO est en mesure
d’échanger très vite des données avec des temps de cycle inférieurs à quelques
millisecondes entre les modules de terrain basés sur Ethernet.
Profinet CBA
La pensée fondamentale de Profinet CBA (Component Based Automation) s’appuie
sur le fait qu’une installation d’automatisation complète peut être divisée en
installations partielles fonctionnant de manière autonome. La structure et la
fonctionnalité peuvent se retrouver dans différentes installations dans une
forme identique ou légèrement adaptée. De tels composants Profinet sont
normalement pilotés par un certain nombre de signaux d’entrée. Au sein de ces
composants, un programme de commande écrit par l’utilisateur effectue la
fonctionnalité définie et transmet les signaux de sortie qui en découlent à une
autre commande. L’ingénierie allant de pair est indépendante du constructeur. La
communication d’un système basé sur des composants est dessinée graphiquement.
Avec des temps de cycle d’un ordre de grandeur de 100 ms, Profinet CBA convient
parfaitement à une communication entre les commandes.
Structure modulaire
Prenons l’exemple d’une usine d’embouteillage dotée d’une installation de
remplissage de bouteilles d’une certaine boisson. En général, cette installation
est composée de quatre machines partielles, à savoir, l’installation de rinçage,
l’installation de remplissage, l’installation d’encapsulage et l’installation
d’emballage. Dans ce cas, l’application de Profinet offre un avantage évident.
Avec Profinet CBA, l’installation est répartie en modules technologiques qui
comprennent une fonctionnalité mécanique, électrique et de commande. Profinet
CBA réalise l’automatisation partagée au moyen d’un modèle de composants
ouverts. Les machines et installations de différents fabricants peuvent ainsi
être assemblées en une installation apparentée sur la base de modules
technologiques à fonctionnement autonome.
Intégration d’une périphérie décentralisée
La périphérie décentralisée d’une machine peut communiquer via Profinet IO.
A l’instar de Profibus DP, les modules de terrain décentralisés sont mis sur
pied avec Profinet dans la conception du module et du réseau du PLC. Les signaux
de périphérie des modules de terrain sont lus cycliquement par le PLC qui les
traite. Le résultat de ce traitement est ensuite renvoyé aux modules de terrain.
Le modèle de Provider/Consumer utilisé par Profinet IO soutient le rapport de
communication entre participants égaux sur Ethernet. Outre l’échange de données
cyclique, Profinet IO propose aussi des fonctions pour le transfert de données
de diagnostic, du paramétrage et des alarmes de et vers la périphérie.
L’ingénierie de Profinet
Suite à l’ampleur croissante des fonctions et à la complexité sans cesse
accrue des installations d’automatisation, l’ingénierie ne cesse de s’étendre
pour l’utilisateur. Cela crée un grand potentiel d’économie sur les coûts de
conception et de mise en service d’une installation. L’ingénierie comprend le
développement d’une installation, la définition de l’échange des données et le
chargement des données de conception dans le module de terrain. L’avantage de
Profinet CBA est que, lors de la mise sur pied d’un système modulaire ouvert,
des modules de différents fabricants peuvent être intégrés dans une même
installation de manière simple et rapide. Profinet IO a l’avantage de profiter
du savoir-faire déjà acquis avec Profibus pour le développement d’un réseau
Profinet IO.
L’ingénierie de Profinet CBA
Un concept d’ingénierie est mis à disposition pour mettre sur pied un
système Profinet CBA regroupant des participants de différents constructeurs. Ce
concept distingue la programmation de la logique de commande des modules
individuels et la mise sur pied du réseau d’installation complet. Une
application chapeautant l’installation est mise sur pied en trois étapes :
définition des composants, liaison des composants et téléchargement de
l’information de liaison dans le module de terrain. Les composants Profinet sont
décrits par une PCD (Profinet Component Description) normalisée. Cette
description se fait sous la forme d’un fichier XML suivant un schéma Profinet
CBA préétabli. Elle est chargée par des outils spécifiés par le constructeur.
Dans l’autre cas, les données PCD peuvent être utilisées dans un Profinet
Component Editor non propriétaire. Une PCD comprend toutes les données
nécessaires à la communication du système d’ingénierie afin que chaque outil
d’ingénierie Profinet puisse traiter les données des composants. La PCD est
construite par le constructeur de machines à l’aide de l’environnement de
développement mis à disposition par le constructeur du module.
Le déroulement de l’installation est construit par la liaison graphique des
entrées et sorties des composants dans l’éditeur. Cet outil permet de construire
les rapports de communication entre des modules intelligents de différents
constructeurs, sans travail de programmation complexe. L’utilisateur recourt
uniquement à des notions technologiques. Un module d’éditeur dispose
généralement de deux aperçus : l’aperçu de l’installation et l’aperçu du réseau.
Dans l’aperçu de l’installation, les composants nécessaires sont importés d’une
bibliothèque, placés sur l’écran et simplement reliés. Cela génère la structure
technologique et la relation logique au sein de l’installation. La structure
topologique du système d’automatisation est construite dans l’aperçu de réseau.
Les modules de terrain et d’automatisation d’un système de bus y sont répartis
et les adresses des modules y sont déterminées.
Profinet IO : un environnement familier
Le système Profinet IO est sciemment maintenu uniforme au système Profibus.
L’utilisateur ne remarque aucun changement. Dans l’ingénierie aussi, la méthode
de conception du réseau est restée identique et familière. Chaque module de
terrain Profinet IO est décrit par des données GSD, basées sur le standard GSDML
(Generic station Description Markup Language) orienté XML. Les données GSD sont
mises à disposition par le constructeur et sont représentées par une icône dans
la bibliothèque du système d’ingénierie. Par un simple glisser-coller,
l’utilisateur peut mettre sur pied la structure du réseau. Ensuite, la
configuration du bus peut être chargée par l’outil d’ingénierie dans le
contrôleur IO.La différence avec Profibus réside dans l’attribution des adresses
des appareils IO raccordés. Ici, Profinet prévoit la DCP (Discovery and Basic
Configuration) ou le protocole DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Les
adresses IP pour les modules IO sont automatiquement attribuées par le
contrôleur IO au moyen de DCP.
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