Drive - MC4

Bologna 18 marzo 2014
La tecnologia ProfiDrive da
Profibus a Profinet:
implementazione ed applicazioni
Micaela Caserza Magro
Genoa Fieldbus Competence Centre
Bologna 18 marzo 2014
Chi è PNI
PNI è il Consorzio Italiano per Profibus e Profinet
costituito da una cinquantina di aziende che condividono le
tecnologie PROFIBUS e PROFINET
Obiettivo del Consorzio è diffondere la
conoscenza di PROFIBUS e PROFINET, fornendo
il necessario supporto informativo attraverso
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Belgium
RPA, PICC, PITC
Czech Rep.
RPA, PICC,
PITC, PITL
Denmark
RPA
France
RPA, PICC, PITC
Germany & Austria
RPA, PICC
PITC, PITL
Ireland
RPA, PICC, PITC
Poland
RPA, PICC, PITC
Italy
RPA, PICC, PITC
Finland
RPA
Netherlands
RPA, PICC,
PITC, PITL
Norway
RPA, PICC, PITC
Canada
PICC, PITC
Sweden
RPA, PICC
Russia
RPA
Slovakia
RPA
Switzerland
RPA, PICC, PITC
Spain
RPA, PICC,
PITC
UK
RPA, PICC, PITC
China
RPA, PICC, PITL
India
RPA, PICC
Japan
RPA, PICC, PITL
Brazil
RPA, PICC, PITC
Korea
RPA, PICC
Chile
PICC, PITC
USA
RPA, PICC,
PITC, PITL
Southern Africa
RPA, PICC, PITC
Middle-East / UAE
RPA, PICC
South-East-Asia
RPA
Australia/
New Zealand
RPA, PICC, PITC
PI worldwide:
27 Regional PI Associations (RPA)
Lebanon
PICC
Saudi Arabia
PICC, PITC
PI Technical Support:
50 PI Competence Centers (PICC)
27 PI Training Centers (PITC)
11 PI Test Laboratories (PITL)
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PROFIdrive: cosa è?
• PROFIdrive è un profilo per la tecnologia Motion Control
standardizzata a livello IEC ed è tecnologia vendor indipendent
• PROFIdrive rappresenta l’interfacia per drives diversi di
produttori differenti con il sistema di comunicazione dell’impianto
o della macchina
• PROFIdrive fornisce una soluzione completa alle richieste del
mondo dell’auotmazione, anche perchè è integrabile in
PROFIBUS, PROFINET, PROFIsafe e PROFIenergy
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Tecnologia Drive
I 2/3 della
potenza
installata sono
legati ai drives
Applicazioni in
manufacturing
Applicazioni nel
processo
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Range di applicazione
Drive a velocità fissa o variabile
• Per pompe, compressori, ventilazione, etc
Single-axis controllers
• Per movimentazione, posizionamento, etc
Multi-axis controllers
• Per packaging, stampa, etc
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Tecnologia Drive: gli sviluppi
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Primo passo: prima dei fieldbus
La tecnologia drive era un convertitore di frequenza principale o un
amplificatore che controllava un motore in base ad un preset di
velocità.
La trasmissione dei comandi e dei segnali era attraverso interfacce
analogiche di I/O.
Il passo successivo è stato l’introduzione di interfacce RS422 ed
RS232 per la connessione ad un PC epr la fase di parametrizzazione
e/o commissioning
Nel seguito ci sono state
Una seconda interfaccia per collegare il drive al sistema di controllo
una terza interfaccia per inviare le variabili di processo al drive
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Secondo passo: l‘era fieldbus
Il primo passo nel campo fieldbus è stato la
sostituzione dell’interfaccia con gli I/O da e verso
il sistema di controllo, per mezzo della
comunicaizone ciclica.
Successivamente, con la comunicazione
aciclica sono state aggiunte la
parametrizzazione e le funzionalità di
commissioning. “Second interfaccia”
Con l’introduzione nel PROFIBUS anche dello
scambio dati diretto tra i drive, è stata sostituita
anche la “terza” interfaccia.
Ultimo miglioramento verso il motion control:
velocità massima 12 Mbps e funzionalità di clock
synchronization
Controller
User program
(Motion control)
Feedback
Actual value
Setting
Setpoint
Fieldbus interface
Drive Control
Drive
Encoder
E
M
Motor
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Drive technologTerzo step: l‘era Ethernet
Impiego delle reti basate su Ethernet industriale (PROFINET) per la
tecnologia drive con integrazione di altre funzionalità come safety
engineering ed energy management.
Il drive si sta evolvendo verso una piattaforma per la gestione di
diverse funzionalità legate al drive
Controller(s)
Energy management
controller
Drive controller
Program for
energy efficiency
Program for
motion control
Safety controller
Program for
safety control
Interface for an automation bus, e.g. PROFINET
„Central multif unctional communication point“
Energy management
Drive Control
Safety engineering
Antrieb
Encoder
E
M
Motor
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I profili dei dispositivi
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Che cosa è un profilo
• Il profilo descrive le proprietà specifiche di un dispositivo che
permettono di implementare le funzioni peculiari
• Dispositivi con lo stesso profilo avranno, indipendentemente dal
costruttore, lo stesso comportamento sul sistema bus
• I benefici per gli utilizzatori sono la possibilità di scegliere fra più
tipi di dispositivi, una maggiore semplicità di sostituzione,
commissioning e diagnostica dei dispositivi
• Il profilo definisce non solo I dati ma anche il loro significato.
Questo significa che il programma del PLC rimane lo stesso per
dispositivi con lo stesso profilo
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Profilo
„PROFIdrive“
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Profilo PROFIdrive
Profillo per
i drive
Profilo
modulare
ProfiDrive
Supportato
da PI
Profibus &
Profinet
Standard
IEC
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Struttura PROFIdrive
•
Le specifiche base di PROFIdrive includono
–
–
–
–
–
•
Definizione del Base model
Definizione del Parameter model
Definizione del Application model
Mapping verso PROFIBUS
Mapping verso PROFINET
La maggior parte del profilo
descrive funzioni indipendenti dal
sistema di comunicazione
Questa parte rimane invariata sia usando
PROFIBUS sia usando PROFINET.
Controller
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Device
classes
P device
Supervisor
Cyclic data
exchange
Acyclic data
exchange
Base model
Communication
services
Alarm
Isochronous
Slave to slave
Operating modes
Services
Parameter manager
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Modello PROFIdrive
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Comunicazioni PROFIdrive
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Data model in ProfiDrive
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Cyclic data
exchange
Acyclic data
exchange
Alarm
mechanism
Isochronous
operation
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Application Classes (AK1 - AK 6)
• PROFIdrive copre una vasta gamma di applicazioni per I drives.
• Per evitare carichi eccessivi per applicazioni semplici,
PROFIdrive definisce 6 diverse classi di applicazioni (AK 1 to 6).
• La AK dipende dalle funzionalità di isocronismo, la presenza di
un servo motore e le funzionalità di automazione sul drive
• Un drive può appartenere a diverse AK a secondo del segmento
di mercato a cui si rivolge
• In tutte le AK, con eccezione della AK1, le funzioni sono
distribuite tra il controllore ed il il drive
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Performance features of PROFIdrive application classes (AK1 - AK6)
Non-isochronous operation
Converters without servo motor
Isochronous operation
Drives with servo motor
Automation proportion
in the drive
High
Closed-loop drive control with
open-loop single-axis
AK 3
positioning control
Same as AK 1, but with
distribution of automation
among several drives
Standard drive with
closed-loop speed control
AK 2
Same as AK 4/5, except for
decentralized automation,
e.g., for clocked processes
and electronic shaft
AK 1
Servo drive with
isochronous closed-loop speed
and position control with central
motion control
Low
Applications
Pumps, fans, compressors
Conveyor belts, elevators, etc.
Single-axis positioning
Simple handling of caps
Paper machines
Machine tools, robots
Paper machines
Packaging machines
AK 6
AK 4/5
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• Application class 1
Standard drives con controllo di velocità a ciclo aperto/chiuso
• Application class 2
Come class 1, ma con funzioni implementate a livello di drive come
funzioni di controllo di portata e possibilità di distribuire funzioni tra
drives diversi
Control (PLC)
Control (PLC)
Class 1
Class 2
Technology
Speed Setpoint
Technology
Actual Value
Setpoint Values
Speed Actual Value
Actual Values
Drive
Drive
Open Loop
or Closed Loop
Speed Control
M
Encoder
(optional)
Drive
Open Loop
orClosed Loop
Speed Control.
M
Drive
Technology
+ Speed Control
Encoder
(optional)
M
Encoder
(optional)
Technology
+ Speed Control
M
Encoder
(optional)
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• Applicazione AK 2 per generazione di un setpoint in cascata
Il master calcola, sulla base dei suoi valori,
I nuovi setpoint per gli slave
Controller imposta setpoint
sul drive master
Controller
… e trasferisci
I setpoint agli
assi slave…
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• Application class 3
Drives con controllo in ciclo chiuso e controllo di posizione. Il drive
opera come un azionamento a singolo asse
Control (PLC)
Class 3
Technology
Positioning
Control Word
Positioning
Status Word
Drive
Drive
Interpolation
+ Position Control
+ Speed Control
M
Interpolation
+ Position Control
+ Speed Control
Encoder
M
Encoder
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• Application class 4/5
Servo drives con motion control su asse multiplo a livello centrale, ad
esempio per robot con controllo di velocità ad anello chiuso sul drive
e motion control a ciclo chiuso sul controller con clock sincronizzation
Control (NC)
Technology
Class 4/5
Class 4/5
Path Interpolation, Position Control
Speed Setpoint + ...
Drive
Closed Loop
Speed Control *
M
Encoder
Clock
Actual Position + ...
Drive
Closed Loop
Speed Control *
M
Encoder
*) Closed Loop Speed Control operates clock synchronous to NC/RC application
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• Application class 6
Servo drives per automazione decentralizzata
Control (PLC/NC)
Class 6
Technology
Setpoints Values
Clock
Actual Value
Drive
Drive
Technology
+ Position Control
+Closed Loop Speed Control*
Technology
+ Position Control
+Closed Loop Speed Control*
M
Encoder
M
*) Closed Loop Speed Control operates clock synchronous
to PLC application
Encoder
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Funzione di interfaccia modulare
• Per ciascuna classe è necessario imèlementare le funzioni
richieste e definite
PROFIdrive (AK 4)
PROFIdrive (AK 3)
PROFIdrive (AK 1)
Speed
setpoint channel
Control channel
Positioning function
Encoder channel
Speed / Position
setpoint channel
Synchronisation
(IRT)
PROFIdrive, Basic
State machine
State machine
State machine
State machine
Diagnostic channel
Diagnostic channel
Diagnostic channel
Diagnostic channel
Parameter channel
Parameter channel
Parameter channel
Parameter channel
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Profilo Encoder
• Il profilo Encoder definisce una interfaccia uniforme a seconda
di classi di applicazione specifiche
– Classe 1 e 2 complendono econder semplici senza isocronia o
segnale di velocità al controllore
– Classe 3 e 4 comprendono encoder isocroni che possono essere
usati nei fast digital control loops o nei motion control
Encoder (Class 3, 4), IRT
Encoder (Class 1, 2), RT
Synchronization
Encoder channel
Encoder channel
Diagnostic channel
Diagnostic channel
Diagnostic channel
Parameter channel
Parameter channel
Parameter channel
Encoder, Basic
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PROFIdrive
su
PROFIBUS
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Market
Segment
PROFIBUS
Solution
(Common term )
Application
Profile
Factory
Automation
Motion
Control
Safety
Application
PROFIBUS PA
PROFIBUS DP
PROFIdrive
Safety
PA Devices
(and others )
e.g.
Ident Systems
PROFIdrive
PROFIsafe
PROFIBUS
DP
PROFIBUS
DP
PROFIBUS
DP
Process
Automation
Ex / non -Ex areas
Communication
Technology
PROFIBUS
DP
Transmission
Tansmission
Technology
MBP / MBP -IS
RS 485 / 485 -IS
RS 485
RS 485
RS 485
MBP -IS
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PROFIBUS DP (Decentralized Periphery)
• PROFIBUS usa un protocollo di comunicazione aperto ed unico
(PROFIBUS DP, Decentralized Periphery) per tutte le applicazioni.
– PROFIBUS DP usa il modello
“Master-Slave“:
un dispositivo (master)
controlla uno o più
dispositivi (slaves).
PROFIBUS DP
Master Class 1
DP Slave 1
Token
PROFIBUS DP
Master Class 2
DP Slave 2
DP Slave 3
– PROFIBUS DP usa il modello
Cycle
“Token Passing“ :
Slave 1
Slave 2
Slave 3
il “token“ è passato attraverso
Cyclic Access
( Master 1)
la rete; la stazione che ha il
«token» ha il controllo per l‘acceso al mezzo trasmissivo
.....
Slave 3
Acyclic Access
(Master 2)
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• DP-V0
Scambio dati ciclico,
contiene la struttua
base dei comandi
• DP-V1
Estensione del V0 con
supporto dello scambio
dati aciclico
• DP-V2
Ulteriore estensione
con time stamp,
sincronizzazione.
Usata nei drive e nel
motion control
DP-V2
Data Exchange Broadcast (Publisher / Subscriber)
Isochronous Mode (Equidistance
plus extensions:
Clock Synchronization & Time Stamps
HART on PROFIBUS
Up/Download (Segmentation)
Redundancy
DP-V1
Acyclic Data Exchange between PC or PLC and Slave Devices
plus extensions:
Integration within Engineering: EDD and FDT
Portable PLC Software Function Blocks (IEC 61131-3)
Fail-Safe Communication (PROFIsafe)
Alarms
DP-V0
Cyclic Data Exchange between PLC and Slave Devices
plus extensions:
GSD Configuration
Diagnosis
Device Features
Functional Levels
Time
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PROFIdrive
su
PROFINET
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PROFINET
• PROFINET è un protocollo di comunicazione industriale basato su
Industrial Ethernet.
• PROFINET usa lo stesso Ethernet utilizzato dalla parte IT e
l’automazione office, ma con capacità migliorate richieste dalle
condizioni industriali.
• PROFINET è standardizzato a livello IEC, nella IEC 61158
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Layer
ISO / OSI model
Functionality
Sender Receiver
Typical Internet communication
(Ethernet + TCP / IP + IT services)
7
Application
7
6
Presentation
6
5
Session
5
4
Transport
TCP
3
Network
IP
2
Data Link
MAC and LLC
1
Physical
Physical layer
IT services:
HTTP
FTP
SMTP
TCP/IP
Ethernet
PROFINET
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Ethernet (MES)
Controller 1
Controller 2
Engineering
Station
Sensor
Robot
PROFINET RT / IRT
Proxy
Drive
Vendor A
Drive
Vendor B
Drive technology on PROFINET
Encoder
Vendor C
IO-Link
Master
Remote
I/O
Transmitter e.g.
for pressure
Proxy
PROFIBUS DP
PROFIBUS PA
Fieldbus ...
Proxy
PROFINET
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PROFINET supporta
• Comunicazione real time (RT e IRT) con il campo
• Comunicazione standard TCP/IP sullo stesso cavo
PROFINET IRT (1+2+3)
PROFINET RT (1+2)
Standard Ethernet (1)
IT services
Process data
(RT)
Process data
(IRT)
Ethernet
+ Priorization
Ethernet
+ Synchronization
TCP / UDP
IP
Ethernet
1
2
3
40
PROFINET
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• Il tempo di ciclo PROFINET varia dal TCP/IP fino a IRT
con un minimo di 31,25 µs.
Printing machines
Robots, presses,
packaging machines
Machine tools, production lines
warehouses and logistics
10 ms
Maximum requirements
and performance reserve
1 ms
100 µs
Bus cycle
TCP/IP
Acyclic data
Diagnosis information
Real Time (RT)
Standard I/O
Simple drive solution
Isochronuous Real Time (IRT)
Fast IO
Motion Control
250µs
PROFINET
31,25 µs
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PROFINET CC
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PROFIdrive rofilo unico per PROFIBUS e PROFINET
• Il profilo PROFIdrive (a partire dalla versione 4.0 del 2005) èuò essere
implementata su PROFINET senza dover riprogrammare l’intera
applicazione
• Questo permette di utilizzare lo stesso approccio su entrambe le
tecnologie di comunicazione
Communication
Profile
Common Application
Profile (aux profile)
PROFINET
PROFIBUS
PROFIsafe
PROFIenergy
Application Profile
(Drive profile)
PROFIdrive
Technology
Application
Safety
DriveControl
M
Energy
management
Drive Axis
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• L’uso di PROFIdrive su entrambe le tecnoliige in modo duale è
possibile perchè nella sua architettura PROFIdrive separa nettamente
– Il sistema di comunicazione e
– Funzioni che sono indipendenti dalla comunicazione (legate al
funzionamento dell’applicazione)
PROFIdrive
PROFIBUS
PROFINET
PROFIdrive Controller
PROFIBUS DP Master Class 1
PROFINET Controller
PROFIdrive P-Device
PROFIBUS DP Slave
PROFINET Device
PROFIdrive Supervisor
PROFIBUS DP Master Class 2
PROFINET Supervisor
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Drives e
Safety
PROFIdrive on PROFIsafe
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Safety channel
• I drive sempre più vengono equipaggiati con funzioni di safety
autonome (Drive-based safety)
• Le funzioni di safety devono essere gestite da un controllo di
sicurezza (Safety PLC) come parte dell’automazione
• Per queste particolari applicazionie, PROFIdrive ha un suo
specifico canale di sicurezza „PROFIdrive on PROFIsafe“
• „PROFIdrive on PROFIsafe“ descrive le interazioni tra le
funzioni di safety autonome con il sistema di controllo di safety.
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Multi-profile Drive
• UN “Multi-profile drive“ è un dispositivo dotato, a parte PROFIdrive,
di profili addizionali come PROFIsafe e/o PROFIenergy.
• Nel caso diIn case of using, ad esempio PROFIsafe fornisce un
canale di comunicazione di sicurezza e non
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Bologna 18 marzo 2014
Funzioni di sicurezza autonome per i drive
• „PROFIdrive on PROFIsafe“ definisce una lista non esaustiva di
funzioni legate alla safety per i drive (IEC 81800-5-2)
• La lista può essere espansa con funzioni vendor-specific
• L’implementazione delle funzioni di sicurezza sul drive sono una
responsabilità del costruttore del drive
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PROFIdrive Safety Communication Model
PROFIdrive Safety Channel
Formato di comunicazione standard
secondo le specifiche PROFIsafe
F-Host/F-Device layer secondo le
specifiche PROFIsafe
PROFIdrive Safety Telegram
Telegrammi PROFIdrive per funzioni di
safety specificati come F-Input/Output
data
I telegrammi si riferiscono ad un
subslot dell’oggetto drive del tutto
analogo ad un telegramma PROFIdrive
standard
Il processo di sicurezza del drive è
controlalto via “Safety Control Word” e
“Safety Status Word”.
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Drives ed
efficienza
energetica
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PROFIenergy application profile
• PROFIenergy è un profilo di Real Time PROFINET ed è un
elemento per promuovere la gestione intelligente dell’energy
management
• PROFIenergy implementa i concetti di energy saving mettenfo I
dispositivi che consumano energia (robots, conveyors, ...) nello
stato„sleep“ durante i momenti di idle del macchinario
• Il profilo necessità di avere un firmaware a bordo, fornito dal
costruttore, che possa rispondere ai omandi ed alle richeiste di
PROFIenergy
• Energy savings fino al 30%
• PROFIenergy può essere usato con PROFIdrive
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Control
Drive Control
Coordinamento
User Program,
Motion controlg
User program
Energy Management
PE Service Request
PE Service Response
PROFIenergyinterface
(acyclic)
PE-Service-Manager
Letture
DriveEnergyManagementProcess
Management
Energy-SavingModes
Drive-ProfileStandard-Telegramm
(cyclic)
Drive-Profile Interface
StateMachine
Drive-Control
Inverter
Drive-FacitityManagement
Drive (Asse)
Reference
channel
G
M
DriveControlProcess
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PROFIenergy cycle
Erwartete Dauer der Pause
Message
Energyconsumption
End_Pause()
Start_Pause(tpause)
PEM_Status
tüberw
PEM_Status
PEM_Status
tüberw
ton
Operation
Standby
Disorder
Actual duration of the pause
Standby
t
Operation
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Bologna 18 marzo 2014
Energy steps of drive devices
Nur bei
modularen
Geräten
Operation
(S4)
Betriebsbereit
(S3)
Einschaltb.
Zwischenkreis
(S2)
unter Strom
PowerOff
~2 W
Betrieb bzw.
betriebsbereit
Module
Combined head
Power OFF
Communication infrastructure
Energy consumption
Also controllable on the PROFIdrive state
machine
~10 W
~20 W
~100 W
Motor
unter Strom
XXX W
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