Nowy procesor komunikacyjny Siemens 6GK7443-1EX30-0XE0 lub 6GK74431EX300XE0

Siemens 6GK7443-1EX30-0XE0 | SIMATIC NET CP 443-1 — procesor komunikacyjny S7-400, kontroler PROFINET IO, podwójny przełącznik RJ45 IE, 10/100 Mbit/s, ISO/TCP/UDP, PROFIenergy

Podstawowa wartość CP 443-1 — dedykowane przetwarzanie Ethernet

Gama procesorów S7-400 — w tym flagowy procesor 417-5H — zawiera w standardzie zintegrowane interfejsy MPI i PROFIBUS DP. Nie obejmują one zintegrowanego portu Ethernet lub PROFINET na poziomie procesora.

Każde połączenie Ethernet lub PROFINET z S7-400 wymaga modułu procesora komunikacyjnego, takiego jak CP 443-1, zainstalowanego w szafie S7-400.

Nie jest to przeoczenie w projekcie platformy — jest to wybór architektury odzwierciedlający początki S7-400 jako wysokowydajnego kontrolera procesów zaprojektowanego, zanim PROFINET stał się dominującą magistralą polową.

Konsekwencją jest to, że CP 443-1 istnieje jako dedykowany procesor Ethernet: ma własny procesor sieciowy ERTEC 400, własną pamięć RAM i własny program, który obsługuje wszystkie zadania komunikacji Ethernet niezależnie od tego, co CPU S7-400 robi ze swoim programem sterującym procesem.

Procesor wykonujący złożony program kaskadowy PID nie jest spowalniany przez ruch sieciowy — CP 443-1 przejmuje całą cykliczną wymianę danych PROFINET IO, wszystkie transakcje TCP/IP, wszystkie żądania S7 PUT/GET i wszystkie żądania diagnostyki sieciowej, prezentując wyniki procesorowi poprzez płytę montażową S7-400 w określonych odstępach czasu.

Ta separacja architektury jest jednym z powodów, dla których platforma S7-400 jest nadal wdrażana w wymagających środowiskach kontroli procesów, nawet po pojawieniu się nowszych platform.

Kluczowe dane techniczne

Zintegrowany przełącznik 2-portowy — topologia linii bez sprzętu zewnętrznego

Interfejs Ethernet CP 443-1 nie jest jednoportowym połączeniem z przełącznikiem sieciowym — sam w sobie jest przełącznikiem 2-portowym opartym na procesorze sieciowym ERTEC 400.

To rozróżnienie ma praktyczne konsekwencje dla sposobu okablowania sieci PROFINET IO.

W standardowej instalacji PROFINET IO urządzenia IO można łączyć w topologii liniowej (łańcuchowej) bezpośrednio ze zintegrowanego portu przełącznika jednego urządzenia do drugiego, bez konieczności stosowania dodatkowego przełącznika pośredniego dla każdego połączenia.

Dwa porty RJ-45 CP 443-1 uczestniczą w dokładnie tej topologii: jeden port łączy się w górę (w stronę przełącznika szkieletowego lub poprzedniego urządzenia w linii), a drugi łączy się w dół (do następnego urządzenia IO w łańcuchu).

W przypadku komórek automatyki maszyn i mniejszych segmentów instalacji, gdzie wszystkie urządzenia PROFINET są fizycznie blisko siebie, to podejście oparte na topologii linii eliminuje koszty i przestrzeń na panelu pośrednich przełączników sieciowych, utrzymując jednocześnie proste okablowanie i krótki czas kabla.

W przypadku większych instalacji z wieloma urządzeniami PROFINET IO rozmieszczonymi na większym obszarze, bardziej odpowiednia jest topologia gwiazdy poprzez centralny zarządzany przełącznik — dwa porty RJ-45 CP 443-1 nadal łączą się z tą gwiazdą przez którykolwiek port.

Kontroler PROFINET IO — zarządzanie urządzeniami polowymi z poziomu S7-400

Po skonfigurowaniu jako sterownik PROFINET IO, CP 443-1 przejmuje odpowiedzialność za pełną cykliczną wymianę danych ze wszystkimi przypisanymi urządzeniami PROFINET IO (I-Devices).

Urządzenia IO — stacje Siemens ET 200SP, ET 200M, ET 200MP, napędy z interfejsami PROFINET, urządzenia zabezpieczające, oprzyrządowanie i inne urządzenia obiektowe kompatybilne z PROFINET — wymieniają cyklicznie swoje dane procesowe z CP 443-1, który mapuje przychodzące dane urządzenia na obraz procesu procesora S7-400 i zapisuje dane wyjściowe procesora z powrotem do urządzeń.

Oznacza to, że procesor S7-400 uzyskuje dostęp do danych PROFINET IO przy użyciu standardowych instrukcji PLC (odczyt adresów obrazu wejściowego, zapisanie adresów obrazu wyjściowego) bez żadnych specjalnych bloków komunikacyjnych lub prymitywów sieciowych — CP 443-1 obsługuje całą mechanikę protokołu PROFINET w przejrzysty sposób.

Konfiguracja odbywa się w STEP 7 (lub w TIA Portal dla obsługiwanych konfiguracji) przy użyciu pliku GSDML urządzenia IO: inżynier określa, które urządzenie IO łączy się z CP 443-1, przypisuje adres urządzenia IO i mapuje moduły wejścia/wyjścia urządzenia na adresy PLC.

Po pobraniu CP 443-1 automatycznie ustanawia i utrzymuje wszystkie skonfigurowane połączenia urządzeń IO.

PROFIenergy — Skoordynowane zarządzanie energią

PROFIenergy to profil aplikacji PROFINET, który umożliwia skoordynowane zarządzanie energią w wielu urządzeniach obiektowych za pomocą sterownika.

Podczas planowanych przerw w produkcji — zmian zmian, weekendów, planowanych okien konserwacyjnych — sterownik PLC może wysyłać polecenia PROFIenergy do wszystkich podłączonych urządzeń jednocześnie, instruując je, aby weszły w określone stany uśpienia lub hibernacji, które redukują ich zużycie energii poniżej normalnego poziomu gotowości.

Obsługa PROFIenergy CP 443-1 oznacza, że ​​S7-400 może pełnić rolę koordynatora zarządzania energią. Można nakazać przemiennikom pracę wybiegiem w celu zatrzymania i wyłączenia wentylatorów chłodzących; Stacje IO mogą zredukować swoje wewnętrzne wyjścia zasilania do częściowego obciążenia; urządzenia zawierające elementy mechaniczne mogą zostać poinstruowane, aby zwalniały hamulce i blokowały pozycje.

Kiedy produkcja zostaje wznowiona, pojedyncze polecenie wybudzenia PROFIenergy przywraca wszystkie urządzenia do gotowości operacyjnej w skoordynowanej sekwencji – unikając chaotycznego jednoczesnego włączania zasilania, które może spowodować przeciążenie obwodów zasilających, gdy każde urządzenie uruchamia się jednocześnie.

Dla zakładów produkcyjnych, w których koszty energii stanowią znaczący wydatek operacyjny, oraz dla obiektów poszukujących zgodności z zarządzaniem energią ISO 50001, PROFIenergy poprzez CP 443-1 zapewnia infrastrukturę na poziomie sterownika do wdrażania strukturalnych oszczędności energii bez konieczności ręcznej interwencji lub niestandardowego kodu maszynowego.

Bezpieczeństwo sieci — listy kontroli dostępu IP i bezpieczny dostęp do Internetu

CP 443-1 implementuje listy kontroli dostępu IP (IP ACL), które umożliwiają inżynierowi instalacji zdefiniowanie, które adresy IP lub zakresy adresów mogą komunikować się z CP 443-1 i za jego pośrednictwem z procesorem S7-400.

Adresy, które nie znajdują się na liście dozwolonych, są dyskretnie usuwane — nie otrzymują żadnej odpowiedzi, żadnego komunikatu o błędzie ani żadnej informacji, że urządzenie istnieje.

Ten prosty, ale skuteczny mechanizm białej listy uniemożliwia nieautoryzowanym stacjom w tym samym segmencie sieci odpytywanie sterownika, modyfikowanie parametrów lub uzyskiwanie dostępu do danych, które powinny być ograniczone do autoryzowanych terminali inżynierskich i systemów nadzoru.

W czasach, gdy cyberbezpieczeństwo sieci zakładowej jest prawdziwym problemem operacyjnym — nie teoretycznym ryzykiem, ale udokumentowanym źródłem przerw w produkcji i incydentów związanych z bezpieczeństwem w instalacjach przemysłowych na całym świecie — IP ACL zapewnia pierwszą linię obrony na poziomie sterownika, bez konieczności stosowania zapór sieciowych znajdujących się na zewnątrz szafy PLC.

Aby zapewnić większe bezpieczeństwo, architektura sieci zakładowej powinna nadal uwzględniać segmentację poprzez zarządzane przełączniki i zapory ogniowe; lista ACL protokołu IP uzupełnia tę architekturę, a nie ją zastępuje.

Często zadawane pytania

P1: Ile modułów CP 443-1 można zainstalować w jednym stojaku S7-400 i czy dodanie większej liczby modułów CP poprawia wydajność PROFINET?

Szafa S7-400 obsługuje wiele modułów CP 443-1, a dokładna liczba zależy od typu szafy i całkowitej liczby modułów w stacji.

Pod względem wydajności: instalacja wielu jednostek CP 443-1 poprawia ogólną przepustowość PROFINET IO, ponieważ każdy CP 443-1 niezależnie zarządza własnym zestawem przypisanych urządzeń PROFINET IO.

Jeśli jeden CP 443-1 zarządza 64 urządzeniami PROFINET IO, co powoduje niedopuszczalne czasy cykli aktualizacji IO ze względu na obciążenie sieci, dodanie drugiego CP 443-1 i rozdzielenie urządzeń pomiędzy nimi zmniejsza liczbę urządzeń każdego CP i proporcjonalnie skraca czas cyklu.

Jednakże każdy CP 443-1 jest niezależnym sterownikiem PROFINET IO — nie można go łączyć z innymi jednostkami CP 443-1 w jeden większy sterownik.

Dokumentacja produktu Siemens dla CP 443-1 określa maksymalną liczbę urządzeń IO i maksymalną ilość danych IO na CP. W jednej stacji S7-400 można używać maksymalnie 4 modułów CP 443-1 jako kontrolerów PROFINET IO (w połączeniu z innymi typami modułów).

Każdy CP 443-1 może obsługiwać własną niezależną sieć PROFINET lub współdzielić sieć poprzez topologię przełącznika.

P2: Czy CP 443-1 może być używany w systemie redundantnym S7-400H i jak zachowuje się PROFINET IO podczas przełączania procesora w systemie H?

CP 443-1 można zainstalować i obsługiwać w systemach S7-400H do komunikacji S7 (PUT/GET z partnerskimi sterownikami PLC, systemami SCADA i systemami nadzoru opartymi na komputerach PC).

Dla PROFINET IO w redundantnych systemach H, S7-400H wykorzystuje specyficzną architekturę redundancji PROFINET IO (systemowa redundancja S2 lub R1 na urządzeniach IO), w której urządzenia IO mają jednocześnie dwa połączenia kontrolera PROFINET IO – jedno do CP głównego procesora i jedno do CP zapasowego procesora.

Kiedy główny procesor ulegnie awarii i kopia zapasowa przejmie kontrolę, urządzenia IO płynnie przekierowują swoją komunikację PROFINET do kopii zapasowej, bez utraty danych lub konieczności ponownego uruchomienia urządzenia.

Wymaga to urządzeń IO obsługujących redundancję S7-400H PROFINET (nie wszystkie urządzenia PROFINET IO to obsługują — należy to zweryfikować dla każdego typu urządzenia z pliku GSDML urządzenia i jego udokumentowanej zgodności z konfiguracjami PROFINET S7-400H).

Protokół media redundancy Protocol (MRP) może być również stosowany w samej sieci PROFINET, zapewniając redundancję w topologii pierścienia na poziomie kabla, oprócz redundancji na poziomie sterownika.

P3: Co to jest szybkie uruchamianie i w jakich aplikacjach jest to ważne?

Szybkie uruchamianie to funkcja PROFINET, która radykalnie skraca czas wymagany przez urządzenie IO do ustanowienia połączenia PROFINET z CP 443-1 po włączeniu zasilania.

W standardowym PROFINET urządzenie przechodzi przez kilka faz negocjacji (przypisanie adresu IP, odkrycie topologii LLDP, ustanowienie AR), które łącznie trwają kilka sekund, zanim urządzenie IO będzie mogło wymieniać dane procesowe ze sterownikiem.

Po skonfigurowaniu szybkiego uruchamiania proces ten zostaje przyspieszony poprzez wstępną konfigurację parametrów IP urządzenia w pamięci nieulotnej i pominięcie faz wykrywania, co skraca czas uruchamiania do poniżej sekundy.

Możliwość ta ma znaczenie przede wszystkim w zastosowaniach, w których czas ponownego uruchomienia maszyny ma kluczowe znaczenie: w stacjach montażowych pojazdów, gdzie każda sekunda uruchomienia kosztuje produkcję, w maszynach pakujących, w których operator maszyny oczekuje, że naciśnie przycisk Start i natychmiast rozpocznie produkcję, oraz w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem, w których szybki restart po zdarzeniu e-stop minimalizuje straty produkcyjne.

W przypadku większości instalacji stacjonarnych, gdzie czas uruchamiania nie jest zmienną krytyczną (maszyna była wyłączona przez cały weekend; kilka dodatkowych sekund na ponowne uruchomienie nie ma znaczenia), standardowe uruchomienie PROFINET jest całkowicie wystarczające.

P4: Jak działa funkcja rozszerzonej diagnostyki internetowej i jakie informacje może wyświetlić?

CP 443-1 posiada wbudowany serwer sieciowy dostępny poprzez dowolną standardową przeglądarkę internetową w sieci zakładowej – nie jest wymagana instalacja oprogramowania na komputerze klienckim, nie jest potrzebny STEP 7. Rozszerzony ekran diagnostyki sieciowej obejmuje: własny status i konfigurację CP 443-1 (adres IP, wersja oprogramowania sprzętowego, adres MAC, stan operacyjny), status wszystkich skonfigurowanych urządzeń PROFINET IO (które urządzenia komunikują się normalnie, które mają błędy, jaki typ błędu zgłasza każde urządzenie), diagnostykę na poziomie modułu dla stacji ET 200S i ET 200M (w którym gnieździe występuje błąd) oraz bufor diagnostyczny procesora S7-400 (zdarzenia alarmowe, błędy sprzętowe, zdarzenia systemowe ze znacznikami czasu).

Siemens umożliwia także inżynierom zakładów tworzenie zdefiniowanych przez użytkownika stron internetowych, które wyświetlają dodatkowe informacje — niestandardowe wartości danych procesowych, liczniki produkcji, stany maszyn — pobrane z bloków danych procesora S7-400 poprzez wewnętrzny dostęp do danych CP 443-1.

Te strony użytkownika mogą służyć jako podstawowe wyświetlacze operatora dostępne z dowolnego komputera w sieci zakładowej, bez instalacji klienta HMI SCADA.

P5: CP 443-1 obsługuje UDP/IP oprócz TCP/IP. Jakie przypadki użycia automatyzacji szczególnie wymagają UDP zamiast TCP?

Protokół TCP/IP zapewnia niezawodne, uporządkowane i sprawdzone pod względem błędów dostarczanie danych — jeśli pakiet zostanie utracony podczas transmisji, protokół TCP retransmituje go automatycznie, zanim aplikacja zobaczy jakiekolwiek dane. To sprawia, że ​​protokół TCP jest idealny do komunikacji S7 (PUT/GET), przesyłania plików FTP i każdej wymiany, w której każdy bajt danych musi zostać poprawnie dostarczony.

Z kolei protokół UDP/IP nie zapewnia retransmisji, gwarancji zamówienia ani potwierdzenia dostarczenia — po prostu wysyła pakiet i przesyła dalej. Wartość protokołu UDP polega na jego niższym opóźnieniu: bez narzutu związanego z potwierdzeniem i retransmisją pakiety UDP docierają szybciej (lub są odrzucane w trybie cichym w przypadku utraty), co jest akceptowalne, gdy terminowość jest ważniejsza niż niezawodność.

W automatyce przemysłowej protokół UDP jest używany do transmisji danych procesowych w czasie rzeczywistym (master wysyła wartości procesowe do wielu odbiorników, gdzie dopuszczalna jest okazjonalna utrata jednej aktualizacji, ponieważ następna aktualizacja następuje szybko), w protokołach synchronizacji czasu (NTP/SNTP używa protokołu UDP, ponieważ pakiety czasowe muszą być aktualne i nie opóźniane przez retransmisję starych pakietów) oraz w niektórych aplikacjach odpytywania SCADA, w których system nadzoru wysyła szybkie zapytania i woli natychmiastowe odpowiedzi niż oczekiwanie na cykle retransmisji TCP.

CP 443-1 obsługuje oba, a zespół inżynierów wybiera odpowiedni protokół transportowy dla każdej relacji komunikacyjnej w oparciu o te kompromisy.