Νέος επεξεργαστής επικοινωνίας Siemens 6GK7443-1EX30-0XE0 ή 6GK74431EX300XE0

Siemens 6GK7443-1EX30-0XE0 | SIMATIC NET CP 443-1 — Επεξεργαστής Επικοινωνιών S7-400, PROFINET IO Controller, Διπλό RJ45 IE Switch, 10/100 Mbit/s, ISO/TCP/UDP, PROFIenergy

Η Βασική Αξία του CP 443-1 — Αποκλειστική Επεξεργασία Ethernet

Η σειρά CPU S7-400 — συμπεριλαμβανομένης της κορυφαίας CPU 417-5H — περιλαμβάνει ενσωματωμένες διεπαφές MPI και PROFIBUS DP ως στάνταρ. Αυτό που δεν περιλαμβάνουν είναι μια ενσωματωμένη θύρα Ethernet ή PROFINET στο επίπεδο της CPU.

Κάθε σύνδεση Ethernet ή PROFINET από ένα S7-400 απαιτεί μια μονάδα επεξεργαστή επικοινωνιών όπως ο CP 443-1 εγκατεστημένος στο rack του S7-400.

Αυτό δεν είναι παράλειψη στο σχεδιασμό της πλατφόρμας — είναι μια αρχιτεκτονική επιλογή που αντικατοπτρίζει την προέλευση του S7-400 ως ελεγκτή διεργασιών υψηλής απόδοσης που σχεδιάστηκε πριν το PROFINET ωριμάσει στο κυρίαρχο fieldbus.

Η συνέπεια είναι ότι ο CP 443-1 υπάρχει ως αποκλειστικός επεξεργαστής Ethernet: έχει τον δικό του επεξεργαστή δικτύου ERTEC 400, τη δική του RAM και το δικό του πρόγραμμα που χειρίζεται όλες τις εργασίες επικοινωνίας Ethernet ανεξάρτητα από το τι κάνει η CPU S7-400 με το πρόγραμμα ελέγχου διεργασιών της.

Μια CPU που εκτελεί ένα σύνθετο πρόγραμμα PID cascade δεν επιβραδύνεται από την κίνηση του δικτύου — ο CP 443-1 απορροφά όλη την κυκλική ανταλλαγή δεδομένων PROFINET IO, όλες τις συναλλαγές TCP/IP, όλα τα αιτήματα S7 PUT/GET και όλα τα αιτήματα διαγνωστικών μέσω web, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα στην CPU μέσω του backplane του S7-400 σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα.

Αυτός ο αρχιτεκτονικός διαχωρισμός είναι ένας λόγος για τον οποίο η πλατφόρμα S7-400 συνεχίζει να αναπτύσσεται σε απαιτητικά περιβάλλοντα ελέγχου διεργασιών, ακόμη και όταν έχουν εμφανιστεί νεότερες πλατφόρμες.

Βασικές Προδιαγραφές

Ενσωματωμένος Διακόπτης 2 Θυρών — Τοπολογία Γραμμής Χωρίς Εξωτερικό Υλικό

Η διεπαφή Ethernet του CP 443-1 δεν είναι σύνδεση μίας θύρας σε έναν διακόπτη δικτύου — είναι από μόνη της ένας διακόπτης 2 θυρών βασισμένος στον επεξεργαστή δικτύου ERTEC 400.

Αυτή η διάκριση έχει πρακτικές επιπτώσεις στον τρόπο καλωδίωσης των δικτύων PROFINET IO. 

Σε μια τυπική εγκατάσταση PROFINET IO, οι συσκευές IO μπορούν να καλωδιωθούν σε τοπολογία γραμμής (daisy-chain) απευθείας από τη θύρα του ενσωματωμένου διακόπτη μιας συσκευής στην επόμενη, χωρίς να απαιτείται ενδιάμεσο υλικό διακόπτη για κάθε σύνδεση.

Οι δύο θύρες RJ-45 του CP 443-1 συμμετέχουν ακριβώς σε αυτήν την τοπολογία: η μία θύρα συνδέεται προς τα πάνω (προς τον διακόπτη backbone ή την προηγούμενη συσκευή στη γραμμή) και η άλλη συνδέεται προς τα κάτω (στην επόμενη συσκευή IO στην αλυσίδα).

Για κυψέλες αυτοματισμού μηχανών και μικρότερα τμήματα εργοστασίων όπου όλες οι συσκευές PROFINET βρίσκονται σε κοντινή απόσταση, αυτή η προσέγγιση τοπολογίας γραμμής εξαλείφει το κόστος και τον χώρο του πίνακα των ενδιάμεσων διακοπτών δικτύου, διατηρώντας την καλωδίωση απλή και τις διαδρομές καλωδίων σύντομες.

Για μεγαλύτερες εγκαταστάσεις με πολλές συσκευές PROFINET IO απλωμένες σε μια ευρύτερη περιοχή εργοστασίου, η τοπολογία αστεριού μέσω ενός κεντρικού διαχειριζόμενου διακόπτη είναι πιο κατάλληλη — οι δύο θύρες RJ-45 του CP 443-1 εξακολουθούν να συνδέονται σε αυτό το αστέρι μέσω οποιασδήποτε θύρας.

PROFINET IO Controller — Διαχείριση Συσκευών Πεδίου από το S7-400

Όταν διαμορφώνεται ως ελεγκτής PROFINET IO, ο CP 443-1 αναλαμβάνει την ευθύνη για την πλήρη κυκλική ανταλλαγή δεδομένων με όλες τις εκχωρημένες συσκευές PROFINET IO (I-Devices).

Οι συσκευές IO — σταθμοί Siemens ET 200SP, ET 200M, ET 200MP, οδηγοί με διεπαφές PROFINET, συσκευές ασφαλείας, όργανα και άλλες συμβατές με PROFINET συσκευές πεδίου — ανταλλάσσουν τα δεδομένα διεργασιών τους κυκλικά με τον CP 443-1, ο οποίος αντιστοιχίζει τα εισερχόμενα δεδομένα συσκευών στην εικόνα διεργασιών της CPU S7-400 και γράφει τα δεδομένα εξόδου της CPU πίσω στις συσκευές.

Αυτό σημαίνει ότι η CPU S7-400 αποκτά πρόσβαση σε δεδομένα PROFINET IO χρησιμοποιώντας τυπικές εντολές PLC (ανάγνωση διευθύνσεων εικόνας εισόδου, εγγραφή διευθύνσεων εικόνας εξόδου) χωρίς ειδικά μπλοκ επικοινωνίας ή πρωτόκολλα δικτύου — ο CP 443-1 χειρίζεται όλους τους μηχανισμούς πρωτοκόλλου PROFINET διαφανώς.

Η διαμόρφωση γίνεται στο STEP 7 (ή στο TIA Portal για υποστηριζόμενες διαμορφώσεις) χρησιμοποιώντας το αρχείο GSDML της συσκευής IO: ο μηχανικός καθορίζει ποια συσκευή IO συνδέεται στον CP 443-1, εκχωρεί τη διεύθυνση της συσκευής IO και αντιστοιχίζει τις μονάδες εισόδου/εξόδου της συσκευής σε διευθύνσεις PLC.

Μετά τη λήψη, ο CP 443-1 δημιουργεί και διατηρεί όλες τις διαμορφωμένες συνδέσεις συσκευών IO αυτόματα.

PROFIenergy — Συντονισμένη Διαχείριση Ενέργειας

Το PROFIenergy είναι ένα προφίλ εφαρμογής PROFINET που επιτρέπει συντονισμένη διαχείριση ενέργειας σε πολλαπλές συσκευές πεδίου από τον ελεγκτή.

Κατά τη διάρκεια προγραμματισμένων παύσεων παραγωγής — αλλαγές βάρδιας, Σαββατοκύριακα, προγραμματισμένα παράθυρα συντήρησης — η PLC μπορεί να στείλει εντολές PROFIenergy σε όλες τις συνδεδεμένες συσκευές ταυτόχρονα, δίνοντάς τους εντολή να εισέλθουν σε καθορισμένες καταστάσεις ύπνου ή αδρανοποίησης που μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας κάτω από τα κανονικά επίπεδα αναμονής.

Η υποστήριξη PROFIenergy του CP 443-1 σημαίνει ότι το S7-400 μπορεί να συμμετέχει ως συντονιστής διαχείρισης ενέργειας. Οι οδηγοί μπορούν να διαταχθούν να σταματούν ομαλά και να απενεργοποιούν τους ανεμιστήρες ψύξης τους. Οι σταθμοί IO μπορούν να μειώσουν τις εσωτερικές εξόδους τροφοδοσίας τους σε μερική φόρτιση. Οι συσκευές με μηχανικά εξαρτήματα μπορούν να διαταχθούν να απελευθερώνουν φρένα και να κλειδώνουν θέσεις.

Όταν η παραγωγή ξαναρχίζει, μια ενιαία εντολή αφύπνισης PROFIenergy επαναφέρει όλες τις συσκευές σε κατάσταση λειτουργικής ετοιμότητας σε μια συντονισμένη ακολουθία — αποφεύγοντας την χαοτική ταυτόχρονη ενεργοποίηση που μπορεί να υπερφορτώσει τα κυκλώματα τροφοδοσίας όταν κάθε συσκευή ξεκινά ταυτόχρονα.

Για εγκαταστάσεις παραγωγής όπου το κόστος ενέργειας αποτελεί σημαντικό λειτουργικό έξοδο, και για εγκαταστάσεις που επιδιώκουν συμμόρφωση με το ISO 50001 για τη διαχείριση ενέργειας, το PROFIenergy μέσω του CP 443-1 παρέχει την υποδομή σε επίπεδο ελεγκτή για την υλοποίηση δομημένων εξοικονομήσεων ενέργειας χωρίς να απαιτείται χειροκίνητη παρέμβαση ή προσαρμοσμένος κώδικας μηχανής.

Ασφάλεια Δικτύου — Λίστες Ελέγχου Πρόσβασης IP και Ασφαλής Πρόσβαση μέσω Web

Ο CP 443-1 υλοποιεί Λίστες Ελέγχου Πρόσβασης IP (IP ACLs) που επιτρέπουν στον μηχανικό του εργοστασίου να ορίσει ποιες διευθύνσεις IP ή εύρη διευθύνσεων επιτρέπεται να επικοινωνούν με τον CP 443-1 και, μέσω αυτού, με την CPU S7-400.

Οι διευθύνσεις που δεν βρίσκονται στη λίστα των επιτρεπόμενων απορρίπτονται σιωπηλά — δεν λαμβάνουν καμία απάντηση, κανένα μήνυμα σφάλματος και καμία ένδειξη ότι η συσκευή υπάρχει.

Αυτός ο απλός αλλά αποτελεσματικός μηχανισμός λευκής λίστας αποτρέπει μη εξουσιοδοτημένους σταθμούς στο ίδιο τμήμα δικτύου από το να ερωτούν τον ελεγκτή, να τροποποιούν παραμέτρους ή να αποκτούν πρόσβαση σε δεδομένα που πρέπει να περιορίζονται σε εξουσιοδοτημένους τερματικούς σταθμούς μηχανικών και συστήματα εποπτείας.

Σε μια εποχή όπου η κυβερνοασφάλεια του δικτύου του εργοστασίου αποτελεί πραγματική λειτουργική ανησυχία — όχι θεωρητικό κίνδυνο, αλλά τεκμηριωμένη πηγή διακοπών παραγωγής και περιστατικών ασφαλείας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις παγκοσμίως — η IP ACL παρέχει μια πρώτη γραμμή άμυνας σε επίπεδο ελεγκτή χωρίς να απαιτούνται συσκευές firewall εξωτερικές στο rack της PLC.

Για βαθύτερη ασφάλεια, η αρχιτεκτονική του δικτύου του εργοστασίου θα πρέπει να συνεχίσει να υλοποιεί τμηματοποίηση μέσω διαχειριζόμενων διακοπτών και τειχών προστασίας. Η IP ACL συμπληρώνει αυτήν την αρχιτεκτονική αντί να την αντικαθιστά.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε1: Πόσες μονάδες CP 443-1 μπορούν να εγκατασταθούν σε ένα μόνο rack S7-400, και η προσθήκη περισσότερων CPs βελτιώνει την απόδοση PROFINET;

Το rack S7-400 υποστηρίζει πολλαπλές μονάδες CP 443-1, με τον ακριβή αριθμό να εξαρτάται από τον τύπο του rack και τον συνολικό αριθμό μονάδων στον σταθμό.

Όσον αφορά την απόδοση: η εγκατάσταση πολλαπλών μονάδων CP 443-1 βελτιώνει τη συνολική απόδοση PROFINET IO, επειδή κάθε CP 443-1 διαχειρίζεται ανεξάρτητα το δικό του σύνολο εκχωρημένων συσκευών PROFINET IO.

Εάν ένας CP 443-1 διαχειρίζεται 64 συσκευές PROFINET IO και αυτό δημιουργεί απαράδεκτους χρόνους κύκλου ενημέρωσης IO λόγω φόρτου δικτύου, η προσθήκη ενός δεύτερου CP 443-1 και η κατανομή των συσκευών μεταξύ τους μειώνει τον αριθμό συσκευών ανά CP και συντομεύει αναλογικά τον χρόνο κύκλου.

Ωστόσο, κάθε CP 443-1 είναι ένας ανεξάρτητος ελεγκτής PROFINET IO — δεν συνδυάζεται με άλλες μονάδες CP 443-1 σε έναν ενιαίο μεγαλύτερο ελεγκτή. 

Η τεκμηρίωση προϊόντων της Siemens για τον CP 443-1 καθορίζει τον μέγιστο αριθμό συσκευών IO και τον μέγιστο όγκο δεδομένων IO ανά CP. Έως και 4 μονάδες CP 443-1 μπορούν να λειτουργήσουν ως ελεγκτές PROFINET IO σε έναν ενιαίο σταθμό S7-400 (συνδυασμένο όριο με άλλους τύπους μονάδων).

Κάθε CP 443-1 μπορεί να υποστηρίξει το δικό του ανεξάρτητο δίκτυο PROFINET ή να μοιραστεί ένα δίκτυο μέσω τοπολογίας διακόπτη.

Ε2: Μπορεί ο CP 443-1 να χρησιμοποιηθεί σε ένα σύστημα S7-400H με πλεονασμό, και πώς συμπεριφέρονται τα PROFINET IO κατά τη διάρκεια μιας εναλλαγής CPU σε σύστημα H;

Ο CP 443-1 μπορεί να εγκατασταθεί και να λειτουργήσει σε συστήματα S7-400H για επικοινωνία S7 (PUT/GET με συνεργαζόμενες PLC, συστήματα SCADA και συστήματα εποπτείας βασισμένα σε PC).

Για PROFINET IO σε συστήματα H με πλεονασμό, το S7-400H χρησιμοποιεί μια ειδική αρχιτεκτονική πλεονασμού PROFINET IO (Πλεονασμός Συστήματος S2 ή R1 στις συσκευές IO) όπου οι συσκευές IO έχουν δύο συνδέσεις ελεγκτή PROFINET IO ταυτόχρονα — μία στην CP της κύριας CPU και μία στην CP της εφεδρικής CPU. 

Όταν η κύρια CPU αποτυγχάνει και η εφεδρική αναλαμβάνει, οι συσκευές IO ανακατευθύνουν απρόσκοπτα την επικοινωνία PROFINET τους στην εφεδρική χωρίς απώλεια δεδομένων ή ενεργοποίηση επανεκκίνησης της συσκευής.

Αυτό απαιτεί συσκευές IO που υποστηρίζουν πλεονασμό PROFINET S7-400H (δεν υποστηρίζουν όλες οι συσκευές PROFINET IO αυτό — πρέπει να επαληθευτεί για κάθε τύπο συσκευής από το αρχείο GSDML της συσκευής και τη τεκμηριωμένη συμβατότητά της με διαμορφώσεις PROFINET S7-400H).

Το πρωτόκολλο πλεονασμού μέσων (MRP) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για το ίδιο το δίκτυο PROFINET, παρέχοντας πλεονασμό τοπολογίας δακτυλίου στο επίπεδο καλωδίωσης εκτός από τον πλεονασμό σε επίπεδο ελεγκτή.

Ε3: Τι είναι η Γρήγορη Εκκίνηση, και σε ποιες εφαρμογές είναι σημαντική;

Η Γρήγορη Εκκίνηση είναι μια λειτουργία PROFINET που μειώνει δραματικά τον χρόνο που απαιτείται για μια συσκευή IO να δημιουργήσει τη σύνδεσή της PROFINET με τον CP 443-1 μετά την ενεργοποίηση.

Στο τυπικό PROFINET, μια συσκευή περνάει από διάφορες φάσεις διαπραγμάτευσης (ανάθεση διεύθυνσης IP, ανακάλυψη τοπολογίας LLDP, δημιουργία AR) που συνολικά διαρκούν αρκετά δευτερόλεπτα πριν η συσκευή IO μπορεί να ανταλλάξει δεδομένα διεργασιών με τον ελεγκτή. 

Με τη διαμόρφωση Γρήγορης Εκκίνησης, αυτή η διαδικασία επιταχύνεται με την προ-διαμόρφωση των παραμέτρων IP της συσκευής σε μη πτητική μνήμη και την παράκαμψη των φάσεων ανακάλυψης — μειώνοντας τον χρόνο εκκίνησης σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. 

Αυτή η δυνατότητα είναι σημαντική κυρίως σε εφαρμογές όπου ο χρόνος επανεκκίνησης της μηχανής είναι κρίσιμος: σταθμοί συναρμολόγησης αυτοκινήτων όπου κάθε δευτερόλεπτο χρόνου εκκίνησης κοστίζει παραγωγή, μηχανές συσκευασίας όπου ο χειριστής της μηχανής περιμένει να πατήσει Έναρξη και η μηχανή να παράγει αμέσως, και εφαρμογές ασφαλείας όπου μια γρήγορη επανεκκίνηση μετά από ένα συμβάν e-stop ελαχιστοποιεί την απώλεια παραγωγής.

Για τις περισσότερες σταθερές εγκαταστάσεις όπου ο χρόνος εκκίνησης δεν είναι κρίσιμη μεταβλητή (η μηχανή ήταν εκτός λειτουργίας όλο το Σαββατοκύριακο. μερικά επιπλέον δευτερόλεπτα για επανεκκίνηση είναι ασήμαντα), η τυπική εκκίνηση PROFINET είναι απολύτως επαρκής.

Ε4: Πώς λειτουργεί η εκτεταμένη λειτουργία διαγνωστικών μέσω web και ποιες πληροφορίες μπορεί να εμφανίσει;

Ο CP 443-1 φιλοξενεί έναν ενσωματωμένο διακομιστή web προσβάσιμο μέσω οποιουδήποτε τυπικού προγράμματος περιήγησης στο δίκτυο του εργοστασίου — δεν απαιτείται εγκατάσταση λογισμικού στον υπολογιστή-πελάτη, ούτε STEP 7. Η εκτεταμένη οθόνη διαγνωστικών μέσω web περιλαμβάνει: την κατάσταση και τη διαμόρφωση του ίδιου του CP 443-1 (διεύθυνση IP, έκδοση firmware, διεύθυνση MAC, κατάσταση λειτουργίας), την κατάσταση όλων των διαμορφωμένων συσκευών PROFINET IO (ποιες συσκευές επικοινωνούν κανονικά, ποιες έχουν σφάλματα, τι τύπο σφάλματος αναφέρει κάθε συσκευή), διαγνωστικά σε επίπεδο μονάδας για σταθμούς ET 200S και ET 200M (ποια υποδοχή έχει σφάλμα) και τον πίνακα διαγνωστικών της CPU S7-400 (γεγονότα συναγερμού, σφάλματα υλικού, συμβάντα συστήματος με χρονοσφραγίδες).

Η Siemens επιτρέπει επίσης στους μηχανικούς του εργοστασίου να δημιουργούν προσαρμοσμένες ιστοσελίδες που εμφανίζουν πρόσθετες πληροφορίες — προσαρμοσμένες τιμές δεδομένων διεργασιών, μετρητές παραγωγής, καταστάσεις μηχανών — που αντλούνται από τα μπλοκ δεδομένων της CPU S7-400 μέσω της εσωτερικής πρόσβασης δεδομένων του CP 443-1. 

Αυτές οι προσαρμοσμένες σελίδες μπορούν να λειτουργήσουν ως βασικές οθόνες χειριστή προσβάσιμες από οποιονδήποτε υπολογιστή στο δίκτυο του εργοστασίου χωρίς εγκατάσταση πελάτη HMI SCADA.

Ε5: Ο CP 443-1 υποστηρίζει UDP/IP εκτός από TCP/IP. Ποιες περιπτώσεις χρήσης αυτοματισμού χρειάζονται συγκεκριμένα UDP αντί για TCP;

Το TCP/IP παρέχει αξιόπιστη, τακτοποιημένη, ελεγμένη ως προς τα σφάλματα παράδοση δεδομένων — εάν ένα πακέτο χαθεί κατά τη μετάδοση, το TCP το επαναμεταδίδει αυτόματα πριν η εφαρμογή δει οποιαδήποτε δεδομένα. Αυτό καθιστά το TCP ιδανικό για επικοινωνία S7 (PUT/GET), μεταφορά αρχείων FTP και οποιαδήποτε ανταλλαγή όπου κάθε byte δεδομένων πρέπει να φτάσει σωστά.

Αντίθετα, το UDP/IP δεν παρέχει επαναμετάδοση, καμία εγγύηση σειράς και καμία επιβεβαίωση παράδοσης — απλώς στέλνει το πακέτο και προχωρά. Η αξία του UDP έγκειται στη χαμηλότερη καθυστέρησή του: χωρίς την επιβάρυνση της επιβεβαίωσης και της επαναμετάδοσης, τα πακέτα UDP φτάνουν γρηγορότερα (ή απορρίπτονται σιωπηλά αν χαθούν), κάτι που είναι αποδεκτό όταν η χρονική στιγμή είναι πιο σημαντική από την αξιοπιστία.

Στον βιομηχανικό αυτοματισμό, το UDP χρησιμοποιείται για μετάδοση δεδομένων διεργασιών σε πραγματικό χρόνο (ένας κύριος στέλνει τιμές διεργασιών σε πολλούς δέκτες όπου περιστασιακή απώλεια μιας ενημέρωσης είναι αποδεκτή επειδή η επόμενη ενημέρωση ακολουθεί γρήγορα), για πρωτόκολλα συγχρονισμού χρόνου (NTP/SNTP χρησιμοποιούν UDP επειδή τα πακέτα χρόνου πρέπει να είναι τρέχοντα, όχι καθυστερημένα από επαναμετάδοση παλιών πακέτων) και για ορισμένες εφαρμογές δημοσκοπήσεων SCADA όπου το σύστημα εποπτείας στέλνει γρήγορα ερωτήματα και προτιμά άμεσες απαντήσεις αντί να περιμένει κύκλους επαναμετάδοσης TCP.

Ο CP 443-1 υποστηρίζει και τα δύο, και η ομάδα μηχανικών επιλέγει το κατάλληλο πρωτόκολλο μεταφοράς για κάθε σχέση επικοινωνίας με βάση αυτές τις συμβιβαστικές λύσεις.