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PROFINET IRT: quando il Real-Time non è sufficiente

Perché ho bisogno di PROFINET IRT?

I protocolli di comunicazione industriale come PROFINET, EtherCAT ed Ethernet/IP sono classificati come protocolli di comunicazione in real-time. Questi protocolli possono già raggiungere tempi di ciclo di 1 millisecondo e un jitter compreso tra 10 e 100 microsecondi.

In alcuni casi, tuttavia, anche questo livello di prestazioni non è sufficiente. Il fatto è che la trasmissione e l’elaborazione dei dati richiedono tempo. In alcune applicazioni, è fondamentale che questo tempo sia sincronizzato con precisione per garantire che le fasi di produzione vengano eseguite correttamente.

Questo accade in particolare nel motion control, dove le richieste di velocità e prestazioni nella comunicazione dei dati sono aumentate al punto che i tempi di ciclo di PROFINET real-time standard non sono più abbastanza veloci e altre metriche chiave come il jitter e il determinismo non soddisfano più gli standard richiesti.

Ad esempio, un braccio robotico deve trovarsi in una posizione esattamente definita in un momento specifico per prelevare o lavorare un pezzo. Se il braccio è anche solo leggermente in anticipo o in ritardo, il processo può essere gravemente interrotto. In questi casi, la trasmissione e l’elaborazione dei dati devono essere veloci e affidabili.

PROFINET IRT viene utilizzato quando la comunicazione standard in real-time raggiunge i suoi limiti e si richiede una sincronizzazione estremamente precisa a velocità eccezionalmente elevate nella comunicazione dei dati.

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.
Come funziona PROFINET IRT?

PROFINET IRT richiede un rigoroso determinismo nella trasmissione di specifici pacchetti di dati all’interno della rete. Ciò significa che i dati devono essere ricevuti, elaborati e inoltrati in una sequenza precisa entro un lasso di tempo predeterminato, senza essere influenzati da ritardi quali collisioni di rete o jitter.

A tal fine, una rete PROFINET IRT assegna finestre temporali specifiche per la gestione di dati critici dal punto di vista temporale. Ad esempio, se il 20% del traffico di rete è riservato alla comunicazione IRT, cioè PROFINET IRT, il traffico di rete viene suddiviso in cinque segmenti temporali:

  • Un segmento è dedicato alla comunicazione IRT
  • I quattro segmenti rimanenti sono riservati alla comunicazione regolare in tempo reale

In questo caso, la rete funziona per l’80% del tempo come una rete PROFINET standard. Durante il restante 20%, vengono elaborati solo i pacchetti di dati rilevanti per PROFINET IRT, garantendo una trasmissione sincronizzata e deterministica. Durante la comunicazione IRT, i normali pacchetti di dati PROFINET vengono bufferizzati ed elaborati quando il segmento temporale IRT è completo.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.
Affinché questo sistema funzioni efficacemente, una rete PROFINET IRT deve soddisfare due requisiti essenziali:
Sincronizzazione tra tutti i dispositivi IRT

È necessario mantenere un ciclo di sincronizzazione coerente tra tutti i dispositivi PROFINET IRT. È possibile farlo tramite un clock ad alta precisione condiviso da tutti i dispositivi. Questo e altri meccanismi, come il Precision Time Protocol (PTP), sono definiti nello standard IEEE 1588. PROFINET IRT estende questo standard con il Precision Transparent Clock Protocol (PTCP). PTCP non solo mantiene un orologio condiviso tra i dispositivi PROFINET IRT, ma calcola anche i ritardi tra gli switch di rete e il relativo cablaggio.

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
Capacità di buffering

È necessario un circuito aggiuntivo all’interno dello switch di rete per bufferizzare il traffico Ethernet non IRT ricevuto durante il tempo di comunicazione IRT designato.

PROFINET IRT con Hilscher e netX

Per soddisfare i requisiti di una comunicazione dati così critica dal punto di vista temporale, è necessario intervenire sul livello 1 e sul livello 2 del modello OSI, in particolare sul livello MAC. Quest’intervento è necessario affinché i dispositivi di rete possano fornire i segmenti di tempo IRT durante i quali la comunicazione Ethernet viene convertita in un canale TDMA (Time Division Multiple Access). Per il resto del tempo, durante la normale comunicazione PROFINET, la trasmissione dei dati funziona come un canale standard CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detect).

Hilscher è uno dei pochi fornitori al mondo a offrire PROFINET IRT per applicazioni di controllo. Ciò è possibile grazie ai controller di comunicazione netX di Hilscher, sviluppati insieme al software di protocollo corrispondente.

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX abilita PROFINET IRT

Hilscher affronta questa sfida con la sua tecnologia netX. I controller netX presentano una struttura xC unica sui livelli OSI 1 e 2. Utilizzando questi microcontroller programmabili e lo stack di protocollo PROFINET di Hilscher, è possibile definire il comportamento di una rete PROFINET sui primi due livelli OSI.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Microcodice flessibile di Hilscher

Una caratteristica fondamentale di netX è che questo comportamento non è codificato in modo fisso, ma può essere regolato in modo flessibile tramite il microcodice. Con il microcodice fornito da Hilscher, gli utenti possono accedere all’interfaccia tra il livello 2 e il livello 3.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Se si dispone già di una soluzione PROFINET, il primo passo è verificare se il proprio hardware sia compatibile con IRT. Nella maggior parte dei casi non lo è, poiché sia l’hardware che il software devono soddisfare requisiti specifici per trasmettere i dati secondo lo standard IRT. Questi requisiti vanno al di là di quanto richiesto dalla maggior parte delle applicazioni industriali e sono in genere necessari solo nei sistemi ad alte prestazioni, come quelli utilizzati nel controllo del movimento o nella robotica. Purtroppo, molti dispositivi abilitati a PROFINET non sono compatibili con PROFINET IRT. Nel peggiore dei casi, una rete PROFINET IRT dovrà essere trattata e sviluppata in modo completamente separato dalle installazioni esistenti.

PROFINET e PROFINET IRT con netX

La tecnologia netX rende la transizione molto più semplice. Le necessarie configurazioni PROFINET IRT sono già integrate nel nostro stack PROFINET standard e ogni controller di comunicazione netX viene fornito con la struttura xC necessaria. Non è necessario apportare alcuna modifica all’hardware o al software. È sufficiente configurare la rete.

Lo stesso vale anche per altre tecnologie di rete come EtherCAT. Grazie alla capacità multiprotocollo di netX, lo stesso hardware può supportare anche EtherCAT.

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

Le diverse lunghezze dei cavi comportano un jitter aggiuntivo, una proprietà fisica inevitabile che richiede un’attenzione particolare quando si implementa una rete PROFINET IRT.

Ad esempio, un pacchetto di dati inviato su un cavo di 10 cm avrà un tempo di trasmissione inferiore rispetto a uno inviato su un cavo di 100 metri. Queste diverse lunghezze dei cavi e il conseguente jitter durante la trasmissione dei pacchetti di dati devono essere tenuti in considerazione in una rete PROFINET IRT per garantire che il controller possa gestire correttamente i dispositivi della rete.

Hilscher mette a disposizione un pratico strumento chiamato Topology Editor, che consente agli utenti di mappare il layout dell’impianto e di tenere conto della lunghezza dei cavi che collegano i dispositivi.

Quali dispositivi sono adatti a PROFINET IRT?

I dispositivi che soddisfano i requisiti di PROFINET IRT sono classificati come Classe di Conformità C (CC-C) nell’ambito del processo di certificazione PROFINET. Questa classe copre la comunicazione temporizzata con tempi di ciclo fino a 32,5 microsecondi. CC-C è la classe di conformità più avanzata ed esigente per PROFINET. Esistono anche altre classi di conformità: CC-A, la classe di base, supporta la comunicazione in real-time “normale”, la trasmissione real-time aciclica e lo standard TCP-IP Ethernet. CC-B si basa su CC-A aggiungendo il supporto per il protocollo Simple Network Management (SNMP). Le classi sono cumulative, ossia CC-C non solo supporta la comunicazione IRT, ma include anche tutte le caratteristiche di CC-A e CC-B.

La tecnologia netX di Hilscher è pienamente conforme alla Classe di conformità C, poiché il nostro stack PROFINET include già tutte le funzioni software necessarie. Dal punto di vista hardware, i nostri controller di comunicazione netX sono equipaggiati di serie anche per le applicazioni IRT.

Classe di conformità PROFINETABC
Scambio di dati in tempo reale con tempi di ciclo fino a 1 ms
  •  
  •  
  •  
Funzioni di allarme e diagnostica
  •  
  •  
  •  
Supporto per la topologia di rete
  •  
  •  
  •  
Supporto SNMP 
  •  
  •  
Scambio di dati in tempo reale con tempi di ciclo fino a 31,25µs  
  •  

 

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