پردازنده ارتباطات جدید زیمنس 6GK7443-1EX30-0XE0 یا 6GK74431EX300XE0

زیمنس 6GK7443-1EX30-0XE0 | SIMATIC NET CP 443-1 — پردازنده ارتباطات S7-400، PROFINET IO Controller، سوئیچ IE دوگانه RJ45، 10/100 مگابیت بر ثانیه، ISO/TCP/UDP، PROFIenergy

ارزش اصلی CP 443-1 — پردازش اختصاصی اترنت

محدوده CPU های S7-400 — از جمله پرچمدار CPU 417-5H — شامل رابط های MPI و PROFIBUS DP به صورت استاندارد است. آنچه که شامل نمی شود، پورت اترنت یا PROFINET داخلی در سطح CPU است.

هر اتصال اترنت یا PROFINET از S7-400 نیازمند یک ماژول پردازنده ارتباطات مانند CP 443-1 است که در رک S7-400 نصب شده است.

این یک غفلت در طراحی پلتفرم نیست — این یک انتخاب معماری است که منعکس کننده ریشه های S7-400 به عنوان یک کنترل کننده فرآیند با کارایی بالا است که قبل از اینکه PROFINET به فیلدباس غالب تبدیل شود، طراحی شده است.

نتیجه این است که CP 443-1 به عنوان یک پردازنده اترنت اختصاصی وجود دارد: دارای پردازنده شبکه ERTEC 400 خود، RAM خود و برنامه خود است که تمام وظایف ارتباطی اترنت را به طور مستقل از آنچه CPU S7-400 با برنامه کنترل فرآیند خود انجام می دهد، مدیریت می کند.

یک CPU که یک برنامه پیچیده PID cascade را اجرا می کند، با ترافیک شبکه کند نمی شود — CP 443-1 تمام تبادل داده های سیکلیک PROFINET IO، تمام تراکنش های TCP/IP، تمام درخواست های S7 PUT/GET و تمام درخواست های تشخیص وب را جذب می کند و نتایج را در فواصل زمانی تعریف شده از طریق بک پلین S7-400 به CPU ارائه می دهد.

این جداسازی معماری یکی از دلایلی است که پلتفرم S7-400 همچنان در محیط های کنترل فرآیند پرتقاضا مستقر می شود، حتی با ظهور پلتفرم های جدیدتر.

مشخصات کلیدی

سوئیچ 2 پورت داخلی — توپولوژی خطی بدون سخت افزار خارجی

رابط اترنت CP 443-1 یک اتصال تک پورت به سوئیچ شبکه نیست — خود آن یک سوئیچ 2 پورت مبتنی بر پردازنده شبکه ERTEC 400 است.

این تمایز پیامدهای عملی برای نحوه سیم کشی شبکه های PROFINET IO دارد. 

در یک نصب استاندارد PROFINET IO، دستگاه های IO می توانند در یک توپولوژی خطی (زنجیره ای) مستقیماً از یک پورت سوئیچ داخلی دستگاه به دستگاه بعدی سیم کشی شوند، بدون نیاز به سخت افزار سوئیچ میانی برای هر اتصال.

دو پورت RJ-45 CP 443-1 دقیقاً در این توپولوژی شرکت می کنند: یک پورت به سمت بالا (به سمت سوئیچ بک بون یا دستگاه قبلی در خط) و دیگری به سمت پایین (به دستگاه IO بعدی در زنجیره) متصل می شود.

برای سلول های اتوماسیون ماشین و بخش های کوچکتر کارخانه که در آن تمام دستگاه های PROFINET از نظر فیزیکی نزدیک به هم هستند، این رویکرد توپولوژی خطی هزینه و فضای پنل سوئیچ های شبکه میانی را حذف می کند و در عین حال سیم کشی را ساده و طول کابل ها را کوتاه نگه می دارد.

برای تاسیسات بزرگتر با تعداد زیادی دستگاه PROFINET IO که در منطقه وسیع تری از کارخانه پراکنده شده اند، توپولوژی ستاره ای از طریق یک سوئیچ مدیریت شده مرکزی مناسب تر است — دو پورت RJ-45 CP 443-1 همچنان از طریق هر یک از پورت ها به این ستاره متصل می شوند.

PROFINET IO Controller — مدیریت دستگاه های میدانی از S7-400

هنگامی که به عنوان یک کنترل کننده PROFINET IO پیکربندی می شود، CP 443-1 مسئولیت تبادل کامل داده های سیکلیک با تمام دستگاه های PROFINET IO اختصاص داده شده (دستگاه های I) را بر عهده می گیرد.

دستگاه های IO — ایستگاه های Siemens ET 200SP، ET 200M، ET 200MP، درایوهای با رابط های PROFINET، دستگاه های ایمنی، ابزار دقیق و سایر دستگاه های میدانی سازگار با PROFINET — داده های فرآیند خود را به صورت سیکلیک با CP 443-1 تبادل می کنند، که داده های ورودی دستگاه را به تصویر فرآیند CPU S7-400 نگاشت می کند و داده های خروجی CPU را به دستگاه ها باز می نویسد.

این بدان معناست که CPU S7-400 با استفاده از دستورالعمل های استاندارد PLC (خواندن آدرس های تصویر ورودی، نوشتن آدرس های تصویر خروجی) بدون هیچ گونه بلوک ارتباطی ویژه یا عناصر شبکه، به داده های PROFINET IO دسترسی پیدا می کند — CP 443-1 تمام مکانیسم های پروتکل PROFINET را به صورت شفاف مدیریت می کند.

پیکربندی در STEP 7 (یا TIA Portal برای پیکربندی های پشتیبانی شده) با استفاده از فایل GSDML دستگاه IO انجام می شود: مهندس مشخص می کند که کدام دستگاه IO به CP 443-1 متصل می شود، آدرس دستگاه IO را اختصاص می دهد و ماژول های ورودی/خروجی دستگاه را به آدرس های PLC نگاشت می کند.

پس از دانلود، CP 443-1 به طور خودکار تمام اتصالات دستگاه IO پیکربندی شده را برقرار و حفظ می کند.

PROFIenergy — مدیریت انرژی هماهنگ

PROFIenergy یک پروفایل برنامه کاربردی PROFINET است که مدیریت انرژی هماهنگ را در چندین دستگاه میدانی از کنترل کننده امکان پذیر می کند.

در طول توقف های تولید برنامه ریزی شده — تعویض شیفت، آخر هفته ها، پنجره های نگهداری برنامه ریزی شده — PLC می تواند دستورات PROFIenergy را به طور همزمان به تمام دستگاه های متصل ارسال کند و آنها را برای ورود به حالت های خواب یا خفته تعریف شده که مصرف انرژی آنها را به زیر سطوح آماده به کار عادی کاهش می دهد، دستور دهد.

پشتیبانی PROFIenergy CP 443-1 به این معنی است که S7-400 می تواند به عنوان هماهنگ کننده مدیریت انرژی شرکت کند. درایوها می توانند برای توقف با چرخش آزاد و غیرفعال کردن فن های خنک کننده خود دستور داده شوند؛ ایستگاه های IO می توانند خروجی های منبع تغذیه داخلی خود را به بار جزئی کاهش دهند؛ دستگاه های دارای اجزای مکانیکی می توانند برای آزاد کردن ترمزها و قفل کردن موقعیت ها دستور داده شوند.

هنگامی که تولید از سر گرفته می شود، یک دستور PROFIenergy واحد تمام دستگاه ها را در یک توالی هماهنگ به حالت آماده به کار باز می گرداند — از روشن شدن همزمان آشفته که می تواند مدارهای تغذیه را هنگام روشن شدن همزمان همه دستگاه ها بارگذاری کند، جلوگیری می کند.

برای تاسیسات تولیدی که هزینه های انرژی بخش قابل توجهی از هزینه های عملیاتی آنها را تشکیل می دهد، و برای تاسیساتی که به دنبال انطباق با مدیریت انرژی ISO 50001 هستند، PROFIenergy از طریق CP 443-1 زیرساخت سطح کنترل کننده را برای پیاده سازی صرفه جویی انرژی ساختاریافته بدون نیاز به مداخله دستی یا کد ماشین سفارشی فراهم می کند.

امنیت شبکه — لیست های کنترل دسترسی IP و دسترسی وب امن

CP 443-1 لیست های کنترل دسترسی IP (IP ACLs) را پیاده سازی می کند که به مهندس کارخانه اجازه می دهد تا مشخص کند کدام آدرس های IP یا محدوده های آدرس مجاز به برقراری ارتباط با CP 443-1 و از طریق آن با CPU S7-400 هستند.

آدرس های موجود در لیست مجاز به طور خاموش حذف می شوند — آنها هیچ پاسخی، هیچ پیام خطایی و هیچ نشانه ای از وجود دستگاه دریافت نمی کنند.

این مکانیزم لیست سفید ساده اما موثر از پرس و جوی ایستگاه های غیرمجاز در همان بخش شبکه از کنترل کننده، تغییر پارامترها یا دسترسی به داده هایی که باید به ترمینال های مهندسی مجاز و سیستم های نظارتی محدود شود، جلوگیری می کند.

در عصری که امنیت سایبری شبکه کارخانه یک نگرانی عملی واقعی است — نه یک خطر نظری بلکه منبع مستند اختلالات تولید و حوادث ایمنی در تاسیسات صنعتی در سراسر جهان — IP ACL خط اول دفاع را در سطح کنترل کننده بدون نیاز به دستگاه های فایروال خارجی از رک PLC فراهم می کند.

برای امنیت عمیق تر، معماری شبکه کارخانه همچنان باید با استفاده از سوئیچ های مدیریت شده و فایروال ها، تقسیم بندی را پیاده سازی کند؛ IP ACL این معماری را تکمیل می کند نه جایگزین آن.

سوالات متداول

Q1: چند ماژول CP 443-1 را می توان در یک رک S7-400 نصب کرد و آیا اضافه کردن CPs بیشتر عملکرد PROFINET را بهبود می بخشد؟

رک S7-400 از چندین ماژول CP 443-1 پشتیبانی می کند، که تعداد دقیق آن به نوع رک و تعداد کل ماژول ها در ایستگاه بستگی دارد.

از نظر عملکرد: نصب چندین واحد CP 443-1 باعث بهبود توان عملیاتی کلی PROFINET IO می شود زیرا هر CP 443-1 مجموعه ای از دستگاه های PROFINET IO اختصاص داده شده خود را به طور مستقل مدیریت می کند.

اگر یک CP 443-1 64 دستگاه PROFINET IO را مدیریت کند و این باعث ایجاد زمان های چرخه به روز رسانی IO غیرقابل قبول به دلیل بار شبکه شود، اضافه کردن یک CP 443-1 دوم و توزیع دستگاه ها بین آنها، تعداد دستگاه های هر CP را کاهش داده و زمان چرخه را به طور متناسب کوتاه می کند.

با این حال، هر CP 443-1 یک کنترل کننده PROFINET IO مستقل است — با واحدهای CP 443-1 دیگر برای تبدیل شدن به یک کنترل کننده بزرگتر ترکیب نمی شود. 

مستندات محصول زیمنس برای CP 443-1 حداکثر تعداد دستگاه های IO و حداکثر حجم داده IO در هر CP را مشخص می کند. تا 4 ماژول CP 443-1 می توانند به عنوان کنترل کننده های PROFINET IO در یک ایستگاه S7-400 (محدودیت ترکیبی با انواع ماژول های دیگر) عمل کنند.

هر CP 443-1 می تواند از شبکه PROFINET مستقل خود پشتیبانی کند یا از طریق توپولوژی سوئیچ یک شبکه را به اشتراک بگذارد.

Q2: آیا CP 443-1 را می توان در یک سیستم افزونه S7-400H استفاده کرد و رفتار PROFINET IO در طول تعویض CPU سیستم H چگونه است؟

CP 443-1 را می توان در سیستم های S7-400H برای ارتباطات S7 (PUT/GET با PLC های همکار، سیستم های SCADA و سیستم های نظارتی مبتنی بر PC) نصب و راه اندازی کرد.

برای PROFINET IO در سیستم های H افزونه، S7-400H از یک معماری افزونه PROFINET IO خاص (افزونه سیستم S2 یا R1 در دستگاه های IO) استفاده می کند که در آن دستگاه های IO به طور همزمان دو اتصال کنترل کننده PROFINET IO دارند — یکی به CP CPU اصلی و دیگری به CP CPU پشتیبان. 

هنگامی که CPU اصلی از کار می افتد و پشتیبان جایگزین می شود، دستگاه های IO ارتباط PROFINET خود را بدون از دست دادن داده یا ایجاد مجدد راه اندازی دستگاه، به طور یکپارچه به پشتیبان هدایت می کنند.

این امر نیازمند دستگاه های IO است که از افزونه PROFINET S7-400H پشتیبانی می کنند (همه دستگاه های PROFINET IO از این پشتیبانی نمی کنند — باید برای هر نوع دستگاه از فایل GSDML دستگاه و سازگاری مستند آن با پیکربندی های PROFINET S7-400H تأیید شود).

پروتکل افزونه رسانه (MRP) همچنین می تواند برای خود شبکه PROFINET استفاده شود و افزونه توپولوژی حلقه ای را در سطح کابل علاوه بر افزونه سطح کنترل کننده فراهم می کند.

Q3: راه اندازی سریع چیست و در کدام برنامه ها اهمیت دارد؟

راه اندازی سریع یک ویژگی PROFINET است که زمان لازم برای برقراری اتصال PROFINET یک دستگاه IO با CP 443-1 پس از روشن شدن را به شدت کاهش می دهد.

در PROFINET استاندارد، یک دستگاه از چندین فاز مذاکره عبور می کند (اختصاص آدرس IP، کشف توپولوژی LLDP، ایجاد AR) که در مجموع چندین ثانیه طول می کشد تا دستگاه IO بتواند داده های فرآیند را با کنترل کننده تبادل کند. 

با پیکربندی راه اندازی سریع، این فرآیند با پیکربندی از پیش پارامترهای IP دستگاه در حافظه غیرفرار و دور زدن فازهای کشف، تسریع می شود — زمان راه اندازی را به کمتر از یک ثانیه کاهش می دهد. 

این قابلیت عمدتاً در برنامه هایی که زمان راه اندازی مجدد ماشین حیاتی است، اهمیت دارد: ایستگاه های مونتاژ خودرو که در آن هر ثانیه زمان راه اندازی هزینه تولید دارد، ماشین های بسته بندی که در آن اپراتور ماشین انتظار دارد دکمه شروع را فشار دهد و ماشین بلافاصله تولید کند، و برنامه های ایمنی که در آن راه اندازی مجدد سریع پس از یک رویداد توقف اضطراری، تلفات تولید را به حداقل می رساند.

برای اکثر تاسیسات ثابت که در آن زمان راه اندازی یک متغیر حیاتی نیست (ماشین در تمام آخر هفته خاموش بوده است؛ چند ثانیه اضافی برای راه اندازی مجدد ناچیز است)، راه اندازی استاندارد PROFINET کاملاً کافی است.

Q4: ویژگی تشخیص وب گسترده چگونه کار می کند و چه اطلاعاتی را می تواند نمایش دهد؟

CP 443-1 یک سرور وب داخلی را میزبانی می کند که از طریق هر مرورگر وب استاندارد در شبکه کارخانه قابل دسترسی است — نیازی به نصب نرم افزار بر روی کامپیوتر کلاینت نیست، نیازی به STEP 7 نیست. نمایش تشخیص وب گسترده شامل: وضعیت و پیکربندی خود CP 443-1 (آدرس IP، نسخه سفت افزار، آدرس MAC، وضعیت عملیاتی)، وضعیت تمام دستگاه های PROFINET IO پیکربندی شده (کدام دستگاه ها به طور عادی در حال ارتباط هستند، کدام ها دارای خطا هستند، نوع خطای هر دستگاه گزارش شده است)، تشخیص سطح ماژول برای ایستگاه های ET 200S و ET 200M (کدام اسلات دارای خطا است) و بافر تشخیص CPU S7-400 (رویدادهای هشدار، خطاهای سخت افزاری، رویدادهای سیستمی با برچسب زمانی).

زیمنس همچنین به مهندسان کارخانه اجازه می دهد تا صفحات وب سفارشی ایجاد کنند که اطلاعات اضافی را نمایش می دهد — مقادیر داده های فرآیند سفارشی، شمارش تولید، وضعیت ماشین — که از طریق دسترسی داده داخلی CP 443-1 از بلوک های داده CPU S7-400 کشیده می شود. 

این صفحات سفارشی می توانند به عنوان نمایشگرهای اپراتور پایه که از هر کامپیوتر در شبکه کارخانه بدون نصب کلاینت HMI SCADA قابل دسترسی هستند، عمل کنند.

Q5: CP 443-1 علاوه بر TCP/IP از UDP/IP نیز پشتیبانی می کند. کدام موارد استفاده اتوماسیون به طور خاص به UDP به جای TCP نیاز دارند؟

TCP/IP تحویل قابل اعتماد، مرتب و خطایابی شده داده ها را فراهم می کند — اگر بسته ای در حین انتقال از بین برود، TCP قبل از اینکه برنامه داده ای را ببیند، آن را به طور خودکار مجدداً ارسال می کند. این امر TCP را برای ارتباطات S7 (PUT/GET)، انتقال فایل FTP و هرگونه تبادل که در آن هر بایت داده باید به درستی برسد، ایده آل می کند.

در مقابل، UDP/IP هیچ ارسال مجدد، هیچ تضمین مرتب سازی و هیچ تأیید تحویل را ارائه نمی دهد — به سادگی بسته را ارسال می کند و ادامه می دهد. ارزش UDP در تأخیر کمتر آن نهفته است: بدون سربار تأیید و ارسال مجدد، بسته های UDP سریعتر می رسند (یا در صورت از دست رفتن به طور خاموش حذف می شوند)، که در مواردی که به موقع بودن مهمتر از قابلیت اطمینان است، قابل قبول است.

در اتوماسیون صنعتی، UDP برای پخش داده های فرآیند در زمان واقعی (یک مستر که مقادیر فرآیند را به چندین گیرنده ارسال می کند که در آن از دست دادن گاه به گاه یک به روز رسانی قابل قبول است زیرا به روز رسانی بعدی به سرعت دنبال می شود)، برای پروتکل های همگام سازی زمان (NTP/SNTP از UDP استفاده می کنند زیرا بسته های زمان باید فعلی باشند، نه با ارسال مجدد بسته های قدیمی به تأخیر بیفتند) و برای برخی از برنامه های نظرسنجی SCADA که در آن سیستم نظارتی پرس و جوهای سریع ارسال می کند و پاسخ های فوری را به جای انتظار برای چرخه های ارسال مجدد TCP ترجیح می دهد، استفاده می شود.

CP 443-1 از هر دو پشتیبانی می کند و تیم مهندسی بر اساس این مبادلات، پروتکل انتقال مناسب را برای هر رابطه ارتباطی انتخاب می کند.