BÁO CÁO HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP GIỚI THIỆU VỀ PROFINET

PROFINET cung cấp những chức năng như tự động phân phối, tích hợp các thiết bị có sẵn, các hoạt động điều hành, các ứng dụng thời gian thực như điều khiển chuyển động.. Profinet tương th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

-

 -BÁO CÁO

HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

Đề tài:

GIỚI THIỆU VỀ PROFINET

GVHD : PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

SVTH : PHẠM TRƯỜNG GIANG_CB110615

TRẦN PHƯƠNG NHUNG_CB110620

Hà Nội, tháng 6 năm 2012

Mục lục

Lời mở đầu 2

1 Giới thiệu 3

2 Tổng quan về Profinet 4

2.1 Tổng quan 4

2.2 Ưu điểm 4

2.3 Chuẩn hóa 4

2.4 Phạm vi ứng dụng của Profinet 4

2.5 Thiết kế của Profinet 6

2.6 Profinet và sự phụ thuộc vào thời gian thực 7

3 Tự động hóa phân tán 8

3.1 Các module công nghệ 8

3.2 Quá trình thiết kế các thành phần 8

4 Những hướng phát triển mới 10

4.1 Nghiên cứu vấn đề khởi động nhanh cho Profinet IO 10

4.2 Một số tính năng mới của Profinet 10

Tham khảo 13

Lời mở đầu

Công nghệ tự động hóa đang trải qua những thay đổi liên tục do những tiến bộ ngày càng nhanh chóng trong việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm Việc sử dụng các kỹ thuật Fieldbus (một họ các giao thức mạng máy tính trong công nghiệp) trong những năm gần đây tiêu biểu cho sự đổi mới rõ ràng trên Những công nghệ này cho phép chuyển đổi các hệ thống tự động hóa từ hệ thống trung tâm thành hệ thống phân cấp Trong lĩnh vực này, có thể nói PROFIBUS chính là một trong những chuẩn chung nhất và đã dẫn đầu thị trường trong hơn 15 năm

Hơn thế nữa, công nghệ thông tin (CNTT) đang ngày càng được ứng dụng sâu hơn vào hệ thống tự động hóa (HTTĐH) Với những chuẩn của mình như TCP/IP hay XML, CNTT tin đang thay đổi hoàn toàn HTTĐH Tích hợp CNTT vào TĐH đem lại những ưu thế lớn về truyền thông giữa HTTĐH với việc điều khiển, phân tích hệ thống

và các dịch vụ mạng rộng lớn Những chức năng này chính là một mảng của PROFINET

PROFINET, giải pháp Ethernet công nghiệp của PI, đã tiếp tục có thể phát triển trong năm khó khăn 2009 – so với 460.000 thiết bị năm 2008 Kết quả, về cơ bản đã lên đến 2.1 triệu thiết bị Xu hướng cho thấy thị trường PROFINET đã không bị ảnh hưởng xấu khủng hoảng kinh tế, ngược lại còn theo chiều hướng tốt hơn PI xem nó như là một thành công lớn Jörg Freitag, chủ tịch PI, cũng nhìn thấy tiềm năng phát triển lớn trong tương lai: “ Trong khủng hoảng kinh tế, để thu được hơn 10% sản lượng bán ra so với 2008 là một dấu hiệu phát triển tốt của PROFINET Các giải pháp Ethernet cung cấp cho người dùng giá trị gia tăng và nó càng tăng hơn nữa với các giải pháp tiết kiệm năng lượng “PROFIenergy” Không có gì nghi ngờ về tương lai tươi sáng của PROFINET.”

Số lượng các sản phẩm PROFIBUS bán ra thị trường thế giới tăng 3.1 triệu với tổng các thiết bị hiện nay là 31.4 triệu Jörg Freitag giải thích: “Công nghiệp tự động hóa đã vượt qua khủng hoảng kinh tế trong năm 2009 Lượng các thiết bị lắp đặt tăng 11% so với năm 2008 Đó là một thành công chính khác của PI và công nghệ mạng”

Có tất cả 31.4 triệu thiết bị, 5.1 triệu đã được sử dụng trong các quá trình tự động hóa trong nhà máy Kết quả, PROFIBUS đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp

PA Profile V3.02 sẽ nhanh chóng đưa PROFIBUS vào hơn nữa trong các quá trình tự động hóa công nghiệp, vì nó có nhiều đặc tính quan trọng có lợi cho người dùng cuối 220,000 thiết bị PROFIsafe được bán ra năm 2009 bằng với lượng sản phẩm bán ra trong năm trước Với lắp đặt cơ bản 850.000 thiết bị, PROFIsafe đã khẳng định vị trí hàng đầu các hệ thống truyền thông công nghiệp mạng

1 Giới thiệu

PROFINET là một chuẩn mở của HTTĐH dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp PROFINET cung cấp những chức năng như tự động phân phối, tích hợp các thiết bị có sẵn, các hoạt động điều hành, các ứng dụng thời gian thực (như điều khiển chuyển động) Thêm vào việc sử dụng CNTT, việc bảo vệ sự đầu tư cũng đóng vai trò quan trọng đối với PROFINET PROFINET cho phép tích hợp các hệ thống có sẵn như PROFIBUS mà không cần phải thay đổi các thiết bị khác trong hệ thống Điều này đảm bảo việc đầu tư vào các thiết bị không trở nên lãng phí do việc không tương thích với nhau

Profinet có thể đáp ứng được tất cả những yêu cầu về mặt CNTT của HTTĐH Toàn bộ những kinh nghiệm của Profibus trong nhiều năm về việc chuẩn hóa đã được chuyển giao cho Profinet Việc sử dụng chuẩn mở, những khả năng xử lý đơn giản, và khả năng tích hợp nhiều hệ thống có sẵn đã được định nghĩa ngay từ đầu trong Profinet Profinet hiện được tích hợp trong IEC 61158

Một trong những điểm mạnh của Profinet là có tầm nhìn dài hạn trong việc phát triển công nghệ Nhờ đó, chi phí phát sinh bởi hệ thống máy móc trong quá trình cài đặt, khởi động và vận hành được giảm xuống tối đa Điểm mạnh của Profinet chính là giúp cho việc mở rộng sự kết nối máy móc trở nên dễ dàng hơn nhiều, đồng thời việc hoạt động hoàn toàn độc lập, không phụ thuộc vào nhau Những sản phẩm của Profinet được chứng nhận đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cao từ tổ chức người dùng Profibus

2 Tổng quan về Profinet

2.1 Tổng quan

Profinet là tiêu chuẩn tự động hóa của Profibus và Profinet quốc tế (PI) Profinet tương thích hoàn toàn với chuẩn Ethernet của IEEE.Với Profinet, những yêu cầu tối thiểu về truyền thông dữ liệu cần được thiết lập tự động như sau:

_ 100 Mbps dữ liệu dùng dây đồng hoặc cáp quang (100 Base TX và 100 Base FX)

_ Chuyển mạch Ethernet

_ Tự động cân bằng giữa các thông số truyền

_ Switch có tính năng tự động gửi và nhận

_ Kết nối không dây (Wlan và Bluetooth)

Profinet sử dụng giao thức UDP/IP cho các lệnh giao tiếp dữ liệu UDP có đặc tính không bảo mật, không bảo đảm tin cậy trong truyền broadcast khi kết hợp với IP Song song với việc sử dụng UDP/IP, các vòng giao tiếp dữ liệu trong Profinet dựa trên khái niệm thời gian thực có khả năng mở rộng

2.2 Ưu điểm

Bốn ưu điểm chính của Profinet là:

_ Hiệu năng: Tự động hóa trong thời gian thực

_ An toàn: Truyền thông đảm bảo an toàn

_ Phân tích: Do vận hành nhanh chóng và khả năng xử lý sự cố hiệu quả

_ Đầu tư hiệu quả: Tích hợp liền mạch các hệ thống fieldbus

Ngoài ra, Profinet còn cung cấp các chứng năng sau:

_ Thiết bị có thể thay thế mà không cần dùng đến công cụ ES

_ Khả năng về mặt kỹ thuật

_ Các thông số của từng thiết bị đều được bảo vệ và tách biệt không chịu ảnh hưởng bởi các thiết bị khác

_ Tạo ra một sơ đồ topo của thiết bị

_ Quản lý thiết bị

_ Truyền tải dữ liệu chính xác theo thời gian

_ Cung cấp hệ thống dự phòng

_ Dễ dàng thay thế thiết bị

2.3 Chuẩn hóa

Profinet IO đã được giới thiệu trong IEC 61158 IEC 61784 giới thiệu về các tập con của đặc tính dịch vụ được áp dụng cho Profinet Khái niệm Profinet được định nghĩa gần gũi cho người dùng cuối, thêm vào chuẩn giao thức Ethernet được định nghĩa trong IEEE 802

2.4 Phạm vi ứng dụng của Profinet

Profinet đáp ứng được tất cả yêu cầu của TĐH Nhiều năm kinh nghiệm của Profibus và sự mở rộng của Ethernet công nghiệp đã và đang tiếp tục được đưa vào Profinet Việc sử dụng các chuẩn CNTT, xử lý đơn giản, và việc tích hợp các hệ thống sẵn có đã dẫn đến định nghĩa Profinet ngay từ đầu Hình dưới đây cho thấy phạm vi ứng dụng của Profinet

Có thể kể đến một số ứng dụng chính sau đây:

_ Quá trình tự động hóa

_ Ứng dụng vận chuyển

_ Tích hợp nền web

_ Quản lý dữ liệu

_ Fieldbus

_ Kết nối không dây

_ Điều khiển từ xa

_ Truyền thông thời gian thực

_ Bảo mật dữ liệu

_ Kiểm tra và chứng thực

_ Tự động phân phối

_ Điều khiển chuyển động

Hiện nay có rất nhiều nơi sử dụng Profinet, trong đó có một số ví dụ như sau: _ Một khu giải trí tại Thụy Điển đang sử dụng mạng không dây PROFINET và PROFIBUS để điều khiển một khoang vận chuyển 80 người lên đỉnh của tòa tháp 116m nhìn toàn cảnh Gothenberg Hệ thống điều khiển bằng rơ-le cũ kĩ cần phải được thay thế nhằm mục đích điều khiển hiệu quả và an toàn hơn Một thử thách lớn là việc thiết lập cách truyền thông với khoang thang máy Giải pháp được sử dụng là

PROFINET không dây Một điểm truy cập không dây được đặt phía trong khoang thang máy, gần cáp “ăng-ten phủ sóng” Một “ăng-ten phủ sóng” khác được đặt dọc phía ngoài tháp để luôn luôn có kết nối dữ liệu với khoang thang máy Mỗi cáp đều có một máy khách (client) kết nối – một tại vị trí 90m trong phòng máy và một trong khoang Có một sợi cáp quang kết nối máy khách (client) trong phòng máy với hệ thống điều khiển phía dưới tòa tháp Từ đây nó kết nối với mạng trung tâm Liseberg

2.5 Thiết kế của Profinet

Triết lý chính của Profinet là giúp cho người dùng có thể chọn và sử dụng chức năng họ muốn một cách đơn giản Sự khác biệt chính giữa các chức năng nằm ở loại

dữ liệu trao đổi Sự phân biệt này là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu rất nghiêm ngặt của của truyền tải dữ liệu tức thời đối với một số ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng chịu ảnh hưởng lớn bởi thời gian

Từ hình trên có thể thấy hệ thống gồm 2 phần chính là:

_ Profinet CBA (Component Based Automation): Là hệ thống TĐH dựa trên các thành phần tách biệt nhau, được thiết kế phù hợp cho việc truyền thông giữa các thành phần thiết bị, với yêu cầu phải đáp ứng được những vấn đề về thời gian Thiết kế này

có đặc điểm là đơn giản cho máy móc và dựa trên sự phân phối một cách hợp lý sử dụng đồ họa thiết kế

_ Profinet IO mô tả vào ra của dữ liệu dựa trên quá trình phân phối thông tin Các đặc tính vào ra phụ thuộc và không phụ thuộc vào thời gian đều có trong Profinet IO

Profinet IO có thể chia thành các lớp thiết bị như sau:

_ Khối điều khiển vào ra: Một loại PLC trong đó điều khiển các chương trình TĐH

_ Khối giám sát vào ra: Có thể là một thiết bị được lập trình, máy tính, hay thiết bị giao tiếp với con người với nhiệm vụ kiểm tra giám sát

_ Thiết bị vào ra: Các thiết bị được kết nối với Profinet IO

2.6 Profinet và sự phụ thuộc vào thời gian thực

Bên trong Profinet IO, quá trình xử lý dữ liệu và cảnh báo luôn luôn được truyền

đi theo thời gian thực Khái niệm thời gian thực trong Profinet dựa trên định nghĩa của IEEE và IEC đối với việc tra đổi dữ liệu vào ra hiệu suất cao Việc liên lạc thời gian thực tao thành cơ sở cho truyền dữ liệu của Profinet IO Các dữ liệu thời gian thực sẽ được xử lý với độ ưu tiên cao hơn sơ với dữ liệu TCP/IP Phương thức truyền dữ liệu này cho phép các xung nhịp của vòng bus nằm trong khoảng vài trăm mili giây

Trong hệ thống Profinet còn định nghĩa tính chất thời gian cực kì chuẩn xác Tính chất này được định nghĩa bởi IRT (Isochronous Real-Time) Dữ liệu truyền trong các vòng có thể từ vài trăm micro giây đến 1 mili giây Việc truyền thông IRT khác với thời gian thực ở vấn đề chính xác của nó, có nghĩa là những vòng bus này được khởi động một cách cực kì chính xác theo 1 thời điểm

3 Tự động hóa phân tán

Sự phát triển của TĐH đã kéo theo sự gia tăng của các loại máy móc thiết bị mới Cấu trúc này đã thúc đẩy những phát triển sâu rộng hơn trong quá trình TĐH để sản xuất ra các hệ thống TĐH phân tán Điều này có thể được thực hiện nhờ Profinet bằng việc tách các đơn vị máy móc ra thành các module công nghệ tách biệt với nhau

3.1 Các module công nghệ

Chức năng của một thiết bị TĐH là sản xuất theo một phương thức đã được định nghĩa sẵn, dưới tác động của cơ khí, điện, và các khối điều khiển logic của phần mềm Theo nguyên tắc này, Profinet định nghĩa các vấn đề về:

_ Cơ khí

_ Điện

_ Phần mềm điều khiển logic

cho một module công nghệ Một module công nghệ là một module được mô hình hóa bởi một thành phần phần mềm – thành phần Profinent

3.2 Quá trình thiết kế các thành phần

Các thành phần được tạo thành theo hình ảnh các module công nghệ Các thiết bị được lập trình và cấu hình ngay từ đầu với các công cụ được cung cấp bởi nhà sản xuất thiết bị Theo cách đó, các chương trình, dịch vụ có thể được tiếp tục sử dụng Tiếp theo bước trên, các phần mềm người dùng được đóng gói vào trong các thành phần của Profinet

4 Những hướng phát triển mới

4.1 Nghiên cứu vấn đề khởi động nhanh cho Profinet IO

Trong công nghiệp, robot ngày càng trở nên quan trọng đối với hiệu quả của các nhà máy ứng dụng TĐH Rô-bốt hiện đại và khả năng để thay đổi các công cụ tự động làm tăng tính linh hoạt của các dây chuyền sản xuất cũng như giảm số lượng các robot cho mỗi sản phẩm Điều này đã dẫn tới giảm chi phí và chất lượng được nâng cao Với kế hoạch này, công cụ thay đổi cũng có thể rút ngắn chu kỳ sản xuất và làm tăng năng suất Thực tế là một chu kỳ sản xuất của một dòng tiêu biểu có thể thấp hơn một phút, kết quả trong những yêu cầu cho các công cụ thay đổi thời gian để được rút ngắn càng tốt Mỗi sự chậm trễ khi một trong những công cụ và uncoupling coupling khác phải được thu nhỏ, và như vậy, toàn bộ robot chỉ sẵn sàng cho các hoạt động, nếu tất cả các thiết bị ngoại vi tương ứng với IO cyclic trong khi trao đổi dữ liệu với PLC Điều này có nghĩa là thời gian cần thiết cho việc thành lập các thông tin liên lạc giữa các thiết bị IO của các công cụ và một PLC có thể tác động tiêu chuẩn năng suất FSU là một trong những đặc điểm kỹ thuật mới nhất của PROFINET IO Những nguyên tắc cơ bản xác định rằng thời gian giữa các giao thức và nhận được là người đầu tiên cyclic nhập dữ liệu không được vượt quá 500 ms

Bởi vì trong quá trình đầu tiên khởi động các thiết bị IO parameterized là cấu hình

và các quyền lợi của FSU có thể được sử dụng chỉ có bắt đầu từ thứ hai trở lên

Các giao thức tối ưu được chuẩn hóa trong các cách sau:

_ Sử dụng các truyền thông số cố định (chỉ dành cho dây đồng), thay vì tự động phát hiện, trong đó làm giảm thời gian khởi động bằng cách đến ba giây

_ Địa chỉ mạng không phải là để thông qua các thiết bị IO trên mỗi chu kỳ, nhưng chỉ là lần đầu tiên khởi động Các thông số được lưu trong bộ nhớ của các thiết bị IO Ngày bắt đầu sau mỗi lần lên các tham số được lấy từ bộ nhớ và tái sử dụng Điều này tiết kiệm tối ưu hóa trong thời gian vài giây

_ IO Thiết bị công bố của họ sẵn sàng để thiết lập thông tin liên lạc thay vì phải chờ đợi cho IO để kiểm soát hoặc tìm kiếm Nó có thể lưu bộ nhớ một trong hai cách sau

Những cải tiến loại bỏ bất kỳ giao thức đặc trưng cho sự chậm trễ Hơn nữa khi bắt đầu lên của một thiết bị có thể được thông qua tối ưu hóa việc sử dụng phù hợp với phần cứng Đầy đủ chi tiết của FSU có thể được tìm thấy trong các trường hợp tương ứng các tiêu chuẩn hoặc mặc định

4.2 Một số tính năng mới của Profinet

Tính năng mới của PROFINET làm cho các tác vụ tự động hóa linh hoạt và hiệu quả hơn Hiện có các tính năng mới trên thị trường như Shared Device, Intelligent Device (I-Device) và Media Redundancy Protocol (MRP) Những tính năng này làm

bảo an toàn, kiến trúc hình mạng đơn giản và phức tạp hơn với các bộ điều khiển đa hệ thống và độ sẵn sàng của hệ thống cao hơn Các tính năng mới cũng cung cấp chức năng chuẩn đoán được cải thiện thông qua các trang web định dạng người dùng và hỗ trợ chế độ đẳng thời thông qua PROFINET

Với tính năng Shared Device , một vài bộ điều khiển có thể tiếp cận thiết bị vào ra

hỗ trợ PROFINET như hệ thống I/O phân tán Điều này làm cho việc cấu hình hệ thống dễ dàng hơn, ví dụ như trong các ứng dụng an toàn Điều này cũng có nghĩa là các PLC chuẩn và dự phòng an toàn có thể được dùng chung hệ thống I/O phân tán

Intelligent Device (I-Device) cho phép giao tiếp I/O từ một PLC đến cấp điều khiển cao hơn hay bộ điều khiển trung tâm Trước đây, việc tiếp cận I/O từ PLC đến các thiết bị I/O cấp thấp hơn chỉ được thực hiện theo trình tự Với I-Device, có thể xây dựng được các kiến trúc (topology) đơn giản và linh hoạt với một hay nhiều bộ điều khiển kết nối mạng Kết nối các bộ điều khiển từ nhiều dự án khác nhau trở nên dễ dàng, hoặc tích hợp các bộ điều khiển từ nhiều nhà cung cấp khác nhau trên một mạng truyền thông chung Bộ điều khiển IO-Controller có khả năng làm việc giống như bộ điều khiển và I-Device cùng lúc

Giao thức Media Redundancy Protocol (MRP, IEC 62439) làm tăng tính sãn sàng của nhà máy Điều này đòi hỏi cơ sở hạ tầng mạng xây dựng theo cấu trúc mạch vòng (ring topology) sử dụng các bộ chuyển mạch Ethernet công nghiệp hoặc thông qua giao diện PROFINET được tích hợp trên bộ điều khiển PROFINETvà các hệ thống I/O phân tán Nếu truyền thông bị ngắt trong 1 phân đoạn của mạch vòng thì chỉ phân đoạn này bị ảnh hưởng mà không gây ngừng hoạt động của nhà máy Điều này có nghĩa là việc bảo trì và sửa chữa có thể được thực hiện mà không chịu áp lực về thời gian Giao thức MRP đảm bảo thời gian cấu hình lại hệ thống nhỏ hơn 200 ms

Với các tính năng mới này, một loạt khả năng mới được thực hiện giúp tiết kiệm chi phí, giảm kết nối, tăng độ sẵn sang của nhà máy và giúp giảm thời gian dừng của nhà máy và thực hiện khả năng phân tán thông minh tại thiết bị cấp trường