Implementări PROFINET bazate pe Microcontroler

3 OCTOMBRIE 2014

PROFINET încorporat pe un controler RX cu 32-biți
Standardul PROFINET devine din ce în ce mai răspândit în domeniul automatizărilor industriale. Cu 5,8 milioane de dispozitive instalate până la sfârșitul anului 2012, PROFINET deține primul loc între sistemele Industrial Ethernet bus. Unul dintre motivele pentru această creștere este utilizarea PROFINET în sistemele embedded, care au fost anterior integrate cu ajutorul sistemelor proprietare bus sau field bus.

Autori:
Christian Bornschein, Marketing and Sales Manager – Renesas Gold Alliance Partner port GmbH
Bernd Westhoff, RX600 Product Marketing Manager – Industrial Communications Business Group, Renesas Electronics Europe

Cu componentele sale ERTEC200/ERTEC400 și TPS-1, Renesas oferă implementări PROFINET, care sunt recunoscute ca standard industrial în categoria cu cea mai înaltă performanță (V.2.3 IRT, CC-C). Cu toate acestea, nu toate aplicațiile necesită acest nivel de performanță PROFINET – și o implementare pe un microcontroler este foarte potrivită pentru aplicații mai puțin pretențioase.
Mulți utilizatori și integratori de sisteme încă percep PROFINET ca un protocol consumator de resurse, care necesită și procesoare puternice și foarte multă memo­rie RAM. Resursele unui MCU on-chip, furnizate de un sistem integrat, abia ar putea să acopere această cerință. Din punct de vedere istoric, percepția utilizatorilor a fost pe deplin justificată – se întâmpla în urmă cu doar câțiva ani, când o integrare PROFINET decentă era gândită pentru a avea nevoie de ERTEC (Enhanced Real-Time Ethernet) și stiva de protocoale însoțitoare.
De-a lungul timpului, stiva ERTEC a fost portată la alte platforme, deși aceasta a necesitat ceva de lucru. Unele dintre aceste portări au fost realizate cu scopul de a limita stiva ERTEC la mai puține funcții. ERTEC este cel mai rapid standard PROFINET – CC-C și RT-3.
Cunoscutul PROFINET IRT a fost simplificat, reducând din funcții, ceea ce a implicat, ca întotdeauna, câteva intervenții chirurgicale în profunzime.

CC-A

Dispozitiv simplu cu suport pentru comunicare Profinet-IO de bază (alarme, diagnosticare, comunicare RT ciclică, analiză de nume etc) și detectare a partiției simple.

CC-B

La fel ca CC-A, dar cu adaosuri de suport pentru SNMP și funcții de înlocuire. Opțional, redundanța media poate fi implementată folosind un client MRP.

CC-C

Suport suplimentar pentru RT_Class_3 precum și suport pentru redundanță completă.

Clasele de conformitate (CC) PROFINET

Clase de timp real

Profinet permite comunicarea de date de aplicații, fie direct, prin cadre Ethernet standard sau prin intermediul UDP/IP, în funcție de cerințele de timp-real necesare. Profibus User Organisation a definit trei clase diferite de timp-real, în scopul de a clasifica aceste cerințe:

RT_Class_1

Comunicare nesincronizată RT într-o subrețea și bazată pe cadre Ethernet. Acest tip de comunicaţie trebuie să fie implementat într-un dispozitiv. Datele sunt transmise într-un interval de timp definit de către controlerul IO.

RT_Class_2

Dispozitivele care sprijină RT_Class_2, permit comunicarea sincronizată sau nesincronizată prin cadre Ethernet. Prin comunicare sincronizată, controlerul IO specifică începutul ciclului de bus pentru dispozitivele IO. Acest lucru conduce la un scenariu predictibil în cazul cel mai rău pentru timpii de așteptare în transmiterea cadrelor de la dispozitivul IO la controlerul IO. Ciclurile se sincronizează prin protocolul PTCP (Precision Time Control Protocol).

RT_Class_3

Aceasta clasă extinde transmisia de date sincronă în care se programează timpii de trimitere pentru toți participanții din rețea. Fiecare participant din rețea are un timp de trimitere definit, care i se atribuie de către controlerul IO. În plus, toate switch-urile din rețea se asigură că rutele de transmisie sunt libere la momentul transmisiei. Prin evitarea procedurii Ethernet CDMA, nu există practic niciun timp de așteptare pentru transmiterea de date IO în rețea. Această clasă are cerințe hardware speciale și nu pot fi manipulate de către controlere Ethernet standard.

Conformitate și clase de timp-real (RT)

După una din aceste operații chirurgicale, standardul PROFINET IRT greoi a fost subţiat, de la ceea ce am putea numi o dimensiune XXL, la o dimensiune L. Dar, până la dimensiunile M, S sau chiar XS, este încă un drum lung, deși inginerii consumă mult timp pentru acesta. Apoi, din nou, este destul de nedrept să se aștepte o reducere de la mărimea XXL la S – fiindcă, la urma urmei, întreaga structură a fost concepută pentru a îndeplini, toate clasele de conformitate (CC) și clasele de timp real (RT) în mod implicit.

PROFINET pe MCU – nu mai este doar un scop în sine

Microcontrolere de azi pot oferi performanță MCU suficientă și RAM, și încă mai oferă utilizatorului o gamă largă de periferice puternice. Aceste sisteme sunt mai mult decât capabile de a realiza cicluri de 1ms. MCU-urile moderne, precum Renesas RX, sunt dotate cu un nucleu CPU pe 32 de biți, în configurațiile lor comune și oferă multă memorie RAM on-chip, 128kB la 256kB, ca standard. Pentru o stivă inteligent scrisă în protocol PROFINET, aceasta este suficientă – sau chiar generoasă – în cazul în care proiectul este limitat la CC-A/B și RT-1.

Figura 1: Cerința de RAM pentru un MCU pe 32-biți.

Figura 2: Model de strat PROFINET bazat pe RX63N.

Gama largă de periferice on-chip a microcontro­lerelor RX poate fi utilizată împreună cu funcțio­nalitatea extinsă PROFINET – fără compromisuri de ambele părți. Pentru a activa aceasta, fabricantul de MCU Renesas și partenerul său tehnologic port GmbH oferă soluții bazate pe RX63N cu 32 de biți, care furnizează PROFINET împreună cu resurse on-chip. Spre deosebire de standardul cu CC-C și RT-3 (PROFINET IRT), standardul cu CC-A și RT-1 este poziționat mai mult la finalul fixat al scalei de performanță PROFINET și este, în general, cunoscut sub numele de PROFINET I/O.
Un dispozitiv standard bazat pe MCU cu unul sau două (CC-B) port(uri) Ethernet poate participa cu ușurință în comunicare PROFINET ciclică.

Un sistem complet care cuprinde mai multe dispozitive diferite 1-port CC-A și RT-1, pot fi legate la cost eficient, folosind switch-uri Ethernet PnP. Switch-uri activate PROFINET IRT fac mai ușoară integrarea sau mixarea sistemelor PROFINET I/O în cadrul unui sistem complex care include nivel mai înalt de clase CC și/sau RT (cum ar fi IRT). Furnizorii care vând acest tip de dispozitiv PROFINET oferă clienților lor un dispozitiv la cost eficient și conectare la cost mic. Se merge chiar pentru a arăta că PROFINET poate fi ieftin!

“Embedded”?

Care sunt caracteristicile care fac o stivă de protocoale capabilă să fie încorporată?
Stiva de protocoale PROFINET dezvoltată de specia­listul embedded port GmbH îndeplinește o serie de cerințe care sunt premisele pentru aplicații embedded:

• Funcționare cu sau fără un sistem de operare (cu și fără fire)
• Interfață între protocol și hardware
• Rapid în a se adapta la noile platforme
• Necesită numai timer și întrerupere MAC
• Livrat în ANSI-C  transparență necondiționată și capacitate de integrare
• Stivă protocol TCP/IP integrată
• Alte stive TCP/IP cu suport raw socket sunt disponibile
• Suport Little Endian / Big Endian
• Suport Direct Flash
• Poate fi integrat în bucla principală
• Alocare Static RAM și mod zero-copy
• Capacitatea de logare avansată cu mesaje de log prezentate direct în Wireshark
• Proiectat pentru PROFINET încorporat: CC-A/B, RT-1, cere foarte puțină memorie, are nevoie doar de 96Kb RAM
Aceste caracteristici optimizează stiva de protocol care a fost deja proiectată, pentru PROFINET încorporat în orice capsulă. Stiva solidă de protocoale combină un microcontroler RX cu PROFINET SPS și preia funcția actuală a microcontrolerului – cu alte cuvinte, furnizarea de componente periferice.

Figura 3: Nivelul de abstractizare a implementării PROFINET.

Rezultatul este chiar un sistem embedded.

Sistemul embedded dezvoltat în acest mod este chiar un sistem tipic embedded, care oferă:
• Consum redus de energie
• Adaptabilitate la diferite aplicații
• Capabilitate de lucru în timp real
• Compatibilitate și certificarea de către PROFIBUS User Organisation
• Compatibilitate cu Siemens

Cum începem?

Descrierea de mai sus poate suna un pic complicată pentru utilizatorii începători. Cu toate acestea, ea cuprinde detalii de care s-ar putea să nu fie nevoie atunci când se utilizează soluția de sistem. Pentru primii pași, este recomandabil să se folosească RX63N Renesas Starter Kit (RSK). În combinație cu PROFINET Stack de la port GmbH, se desprinde o soluție gata de utilizare, care produce rezultate imediate și dezvoltare rapidă de prototip. Debugger-ul Renesas E1 JTAG și mediul de dezvoltare e2Studio sunt de asemenea disponibile ca instrumente de dezvoltare. Mediul e2Studio integrează toate instrumentele de care utilizatorii au nevoie pentru a dezvolta și a depana software-ul. Aplicația demo este livrată cu toate fișierele de proiect necesare, facilitând configurarea și utilizarea kit-ului de pornire.
RSK include RX63N MCU cu 2MB Flash on-chip și 128kB memorie RAM on-chip. Acest grup de produse atinge performanțe de calcul înalte, cu 165 DMIPS la 100MHz CPU și de operare cu Flash. De asemenea, este foarte scalabil şi poate fi utilizat într-o varietate largă de produse cu diferite profiluri de cerințe.
Variante RX63N sunt de asemenea disponibile cu memorie integrată Flash de la 768kB la 2MB RAM și de la 128kB la 256kB. Opțiunea de încapsulări include LQFP, LGA și BGA.

Figura 4: Diagrama bloc a RX63N.

Aceste produse RX includ interfața Ethernet MAC IEEE 802.3 compatibilă cu interfața Media Independent Interface (MII) și interfața Reduced Media Independent Interface (RMII) pentru a facilita legăturile PHY. Ele oferă, de asemenea, interfețe conforme cu un CAN (Controller Area Network) 2.0B, cu până la trei canale (o soluție CANopen pentru acest lucru este, de asemenea, disponibilă de la port GmbH) și două porturi Universal Serial Bus (USB) full-speed, USB OTG și funcții ale dispozitivului.
Produsele RX sunt concepute pentru a oferi o densitate de integrare și o structură de cost atractiv, în combinație cu tehnologia extrem de rapidă embedded Flash. Aceasta o face alegerea potrivită pentru orice aplicație care are nevoie pentru a rula stive de comunicaţie mari, ca și pentru PROFINET, într-o soluție single-chip care nu utilizează memorie externă. Documentație detaliată despre ele este disponibilă pe internet și este în mod natural, de asemenea, inclusă în starter kit.

O combinație excepțională

Combinația microcontroler Renesas RX63N pe 32-biţi și stiva de protocol a portului PROFINET oferă utilizatorilor o cale atractivă de a începe să lucreze la aplicații PROFINET prin programul RXMAX de la Renesas. MCU-urile Renesas RX63N pot fi folosite cu porturile PROFINET, fără constrângeri, permițând utilizatorilor să dezvolte dispozitive PROFINET I/O (CC-A, RT-1) puternice, dar și cost eficiente. Avantajul costului merge mai departe cu structura de rețea simplificată, care se extinde la integratorul de sistem și clienții săi. În principiu, soluții, precum CANopen, EtherNet/IP, POWERLINK și EtherCAT pot fi, de asemenea, furnizate pe aceeași platformă.
Demo gratuit, Documentatie și Ghid de pornire rapidă pot fi descărcate de la adresa de internet: www.port.de/en/products/driver/driver-for-renesas-rx-series.html#tab4

Despre autori:

Christian Bornschein, care conduce departamentul de Marketing și Vânzări la Renesas Gold Alliance Partner port GmbH, promovează, de asemenea, stivele de protocol ale companiei și servicii de dezvoltare. Christian are mulți ani de experiență cu Ethernet Industrial, după ce a lucrat ca dezvoltator de hardware și, ulterior, ca manager de produs – având deci, o bună cunoaștere a nevoilor și cerințelor în domeniul automatizării.

Bernd Westhoff conduce departamentul de marketing pentru produsele RX600 din cadrul grupului de afaceri Industrial & Communication la Renesas Electronics Europa.

Renesas
www.renesas.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre