Bộ xử lý thông tin liên lạc Siemens mới 6GK7443-1EX30-0XE0 hoặc 6GK74431EX300XE0

Siemens 6GK7443-1EX30-0XE0 | SIMATIC NET CP 443-1 — Bộ xử lý truyền thông S7-400, PROFINET IO Controller, Chuyển mạch IE Dual RJ45, 10/100 Mbit/s, ISO/TCP/UDP, PROFIenergy

Giá trị cốt lõi của CP 443-1 — Xử lý Ethernet chuyên dụng

Dòng CPU S7-400 — bao gồm cả CPU 417-5H hàng đầu — có giao diện MPI và PROFIBUS DP tích hợp theo tiêu chuẩn. Những gì chúng không bao gồm là cổng Ethernet hoặc PROFINET tích hợp ở cấp độ CPU.

Mọi kết nối Ethernet hoặc PROFINET từ S7-400 đều yêu cầu một mô-đun bộ xử lý truyền thông như CP 443-1 được lắp đặt trong khung S7-400.

Đây không phải là sự thiếu sót trong thiết kế nền tảng — đó là một lựa chọn kiến trúc phản ánh nguồn gốc của S7-400 như một bộ điều khiển quy trình hiệu suất cao được thiết kế trước khi PROFINET trưởng thành thành bus trường chiếm ưu thế.

Hậu quả là CP 443-1 tồn tại như một bộ xử lý Ethernet chuyên dụng: nó có bộ xử lý mạng ERTEC 400 riêng, RAM riêng và chương trình riêng xử lý tất cả các tác vụ truyền thông Ethernet độc lập với bất cứ điều gì CPU S7-400 đang làm với chương trình điều khiển quy trình của nó.

Một CPU thực thi chương trình điều khiển PID phức tạp không bị chậm lại bởi lưu lượng mạng — CP 443-1 hấp thụ tất cả trao đổi dữ liệu tuần tự PROFINET IO, tất cả các giao dịch TCP/IP, tất cả các yêu cầu S7 PUT/GET và tất cả các yêu cầu chẩn đoán web, trình bày kết quả cho CPU thông qua bus S7-400 theo các khoảng thời gian xác định.

Sự tách biệt kiến trúc này là một lý do nền tảng S7-400 tiếp tục được triển khai trong các môi trường điều khiển quy trình đòi hỏi khắt khe ngay cả khi các nền tảng mới hơn đã xuất hiện.

Thông số kỹ thuật chính

Chuyển mạch 2 cổng tích hợp — Cấu trúc đường thẳng không cần phần cứng bên ngoài

Giao diện Ethernet của CP 443-1 không phải là kết nối một cổng với một bộ chuyển mạch mạng — bản thân nó là một bộ chuyển mạch 2 cổng dựa trên bộ xử lý mạng ERTEC 400.

Sự khác biệt này có ý nghĩa thực tế đối với cách đấu dây mạng PROFINET IO. 

Trong cài đặt PROFINET IO tiêu chuẩn, các thiết bị IO có thể được đấu dây theo cấu trúc đường thẳng (daisy-chain) trực tiếp từ cổng chuyển mạch tích hợp của một thiết bị sang thiết bị tiếp theo, mà không cần bất kỳ phần cứng chuyển mạch trung gian nào cho mỗi kết nối.

Hai cổng RJ-45 của CP 443-1 tham gia vào chính cấu trúc này: một cổng kết nối lên trên (hướng tới bộ chuyển mạch xương sống hoặc thiết bị trước đó trong đường thẳng) và cổng còn lại kết nối xuống dưới (đến thiết bị IO tiếp theo trong chuỗi).

Đối với các cụm máy tự động hóa và các phân đoạn nhà máy nhỏ hơn nơi tất cả các thiết bị PROFINET ở gần nhau về mặt vật lý, phương pháp cấu trúc đường thẳng này loại bỏ chi phí và không gian tủ của các bộ chuyển mạch mạng trung gian trong khi vẫn giữ cho việc đấu dây đơn giản và các đoạn cáp ngắn.

Đối với các cài đặt lớn hơn với nhiều thiết bị PROFINET IO trải rộng trên một khu vực nhà máy rộng hơn, cấu trúc hình sao thông qua một bộ chuyển mạch được quản lý trung tâm sẽ phù hợp hơn — hai cổng RJ-45 của CP 443-1 vẫn kết nối vào cấu trúc hình sao này thông qua bất kỳ cổng nào.

PROFINET IO Controller — Quản lý thiết bị trường từ S7-400

Khi được cấu hình làm bộ điều khiển PROFINET IO, CP 443-1 chịu trách nhiệm trao đổi dữ liệu tuần tự hoàn chỉnh với tất cả các thiết bị PROFINET IO được chỉ định (I-Devices).

Các thiết bị IO — các trạm Siemens ET 200SP, ET 200M, ET 200MP, ổ đĩa có giao diện PROFINET, thiết bị an toàn, thiết bị đo lường và các thiết bị trường tương thích PROFINET khác — trao đổi dữ liệu quy trình của chúng một cách tuần tự với CP 443-1, bộ xử lý này ánh xạ dữ liệu thiết bị đến vào hình ảnh quy trình của CPU S7-400 và ghi dữ liệu đầu ra của CPU trở lại các thiết bị.

Điều này có nghĩa là CPU S7-400 truy cập dữ liệu PROFINET IO bằng các lệnh PLC tiêu chuẩn (đọc địa chỉ hình ảnh đầu vào, ghi địa chỉ hình ảnh đầu ra) mà không cần bất kỳ khối truyền thông hoặc nguyên tắc mạng đặc biệt nào — CP 443-1 xử lý tất cả các cơ chế giao thức PROFINET một cách minh bạch.

Cấu hình được thực hiện trong STEP 7 (hoặc TIA Portal cho các cấu hình được hỗ trợ) bằng cách sử dụng tệp GSDML của thiết bị IO: kỹ sư chỉ định thiết bị IO nào kết nối với CP 443-1, gán địa chỉ thiết bị IO và ánh xạ các mô-đun đầu vào/đầu ra của thiết bị vào địa chỉ PLC.

Sau khi tải xuống, CP 443-1 tự động thiết lập và duy trì tất cả các kết nối thiết bị IO đã cấu hình.

PROFIenergy — Quản lý năng lượng phối hợp

PROFIenergy là một hồ sơ ứng dụng PROFINET cho phép quản lý năng lượng phối hợp trên nhiều thiết bị trường từ bộ điều khiển.

Trong các khoảng dừng sản xuất theo kế hoạch — thay ca, cuối tuần, cửa sổ bảo trì theo kế hoạch — PLC có thể gửi lệnh PROFIenergy đến tất cả các thiết bị được kết nối đồng thời, hướng dẫn chúng vào các trạng thái ngủ hoặc ngủ đông được xác định làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của chúng xuống dưới mức chờ thông thường.

Hỗ trợ PROFIenergy của CP 443-1 có nghĩa là S7-400 có thể tham gia với tư cách là điều phối viên quản lý năng lượng. Các ổ đĩa có thể được lệnh chạy đà để dừng và tắt quạt làm mát của chúng; các trạm IO có thể giảm đầu ra nguồn điện bên trong của chúng xuống tải một phần; các thiết bị có bộ phận cơ khí có thể được hướng dẫn nhả phanh và khóa vị trí.

Khi sản xuất tiếp tục, một lệnh đánh thức PROFIenergy duy nhất sẽ khôi phục tất cả các thiết bị về trạng thái sẵn sàng hoạt động theo một trình tự phối hợp — tránh tình trạng bật nguồn đồng thời hỗn loạn có thể làm quá tải mạch cung cấp khi mọi thiết bị khởi động cùng lúc.

Đối với các cơ sở sản xuất có chi phí năng lượng là một khoản chi phí hoạt động đáng kể và đối với các cơ sở tìm kiếm tuân thủ quản lý năng lượng ISO 50001, PROFIenergy thông qua CP 443-1 cung cấp cơ sở hạ tầng cấp bộ điều khiển để triển khai tiết kiệm năng lượng có cấu trúc mà không yêu cầu can thiệp thủ công hoặc mã máy tùy chỉnh.

Bảo mật mạng — Danh sách kiểm soát truy cập IP và Truy cập Web An toàn

CP 443-1 triển khai Danh sách kiểm soát truy cập IP (IP ACL) cho phép kỹ sư nhà máy xác định địa chỉ IP hoặc phạm vi địa chỉ nào được phép giao tiếp với CP 443-1 và, thông qua đó, với CPU S7-400.

Các địa chỉ không có trong danh sách cho phép sẽ bị loại bỏ một cách im lặng — chúng không nhận được phản hồi, không có thông báo lỗi và không có dấu hiệu cho thấy thiết bị tồn tại.

Cơ chế danh sách trắng đơn giản nhưng hiệu quả này ngăn các trạm trái phép trên cùng một phân đoạn mạng truy vấn bộ điều khiển, sửa đổi tham số hoặc truy cập dữ liệu lẽ ra phải được giới hạn cho các thiết bị kỹ thuật được ủy quyền và hệ thống giám sát.

Trong một thời đại mà an ninh mạng của mạng lưới nhà máy là một mối quan tâm hoạt động thực sự — không phải là rủi ro lý thuyết mà là nguồn gây gián đoạn sản xuất và sự cố an toàn đã được ghi nhận trong các cài đặt công nghiệp trên toàn thế giới — IP ACL cung cấp tuyến phòng thủ đầu tiên ở cấp độ bộ điều khiển mà không yêu cầu các thiết bị tường lửa bên ngoài khung PLC.

Để bảo mật sâu hơn, kiến trúc mạng nhà máy vẫn nên triển khai phân đoạn thông qua các bộ chuyển mạch được quản lý và tường lửa; IP ACL bổ sung cho kiến trúc này chứ không thay thế nó.

Câu hỏi thường gặp

Q1: Có thể lắp đặt bao nhiêu mô-đun CP 443-1 trong một khung S7-400 và việc thêm nhiều CP hơn có cải thiện hiệu suất PROFINET không?

Khung S7-400 hỗ trợ nhiều mô-đun CP 443-1, với số lượng chính xác phụ thuộc vào loại khung và tổng số mô-đun trong trạm.

Về hiệu suất: việc lắp đặt nhiều đơn vị CP 443-1 giúp cải thiện thông lượng PROFINET IO tổng thể vì mỗi CP 443-1 quản lý tập hợp các thiết bị PROFINET IO được chỉ định của riêng nó một cách độc lập.

Nếu một CP 443-1 quản lý 64 thiết bị PROFINET IO và điều này tạo ra thời gian chu kỳ cập nhật IO không thể chấp nhận được do tải mạng, thì việc thêm CP 443-1 thứ hai và phân phối các thiết bị giữa chúng sẽ giảm số lượng thiết bị của mỗi CP và rút ngắn thời gian chu kỳ tương ứng.

Tuy nhiên, mỗi CP 443-1 là một bộ điều khiển PROFINET IO độc lập — nó không kết hợp với các đơn vị CP 443-1 khác thành một bộ điều khiển lớn hơn. 

Tài liệu sản phẩm của Siemens cho CP 443-1 quy định số lượng thiết bị IO tối đa và khối lượng dữ liệu IO tối đa cho mỗi CP. Có thể vận hành tối đa 4 mô-đun CP 443-1 làm bộ điều khiển PROFINET IO trong một trạm S7-400 (giới hạn kết hợp với các loại mô-đun khác).

Mỗi CP 443-1 có thể hỗ trợ mạng PROFINET độc lập của riêng mình hoặc chia sẻ mạng thông qua cấu trúc chuyển mạch.

Q2: CP 443-1 có thể được sử dụng trong hệ thống dự phòng S7-400H không và PROFINET IO hoạt động như thế nào trong quá trình chuyển đổi CPU H-system?

CP 443-1 có thể được lắp đặt và vận hành trong các hệ thống S7-400H cho truyền thông S7 (PUT/GET với các PLC đối tác, hệ thống SCADA và hệ thống giám sát dựa trên PC).

Đối với PROFINET IO trong hệ thống H dự phòng, S7-400H sử dụng kiến trúc dự phòng PROFINET IO cụ thể (Dự phòng Hệ thống S2 hoặc R1 trên các thiết bị IO) nơi các thiết bị IO có hai kết nối PROFINET IO controller đồng thời — một đến CP của CPU chính và một đến CP của CPU dự phòng. 

Khi CPU chính gặp lỗi và CPU dự phòng tiếp quản, các thiết bị IO sẽ chuyển hướng giao tiếp PROFINET của chúng sang CPU dự phòng một cách liền mạch mà không làm mất dữ liệu hoặc kích hoạt khởi động lại thiết bị.

Điều này yêu cầu các thiết bị IO hỗ trợ dự phòng PROFINET S7-400H (không phải tất cả các thiết bị PROFINET IO đều hỗ trợ điều này — nó phải được xác minh cho từng loại thiết bị từ tệp GSDML của thiết bị và khả năng tương thích được ghi lại của nó với cấu hình PROFINET S7-400H).

Giao thức dự phòng phương tiện (MRP) cũng có thể được sử dụng cho chính mạng PROFINET, cung cấp khả năng dự phòng cấu trúc vòng ở cấp độ cáp ngoài khả năng dự phòng cấp bộ điều khiển.

Q3: Khởi động nhanh là gì và nó quan trọng trong các ứng dụng nào?

Khởi động nhanh là một tính năng PROFINET giúp giảm đáng kể thời gian cần thiết để một thiết bị IO thiết lập kết nối PROFINET của nó với CP 443-1 sau khi bật nguồn.

Trong PROFINET tiêu chuẩn, một thiết bị trải qua nhiều giai đoạn đàm phán (gán địa chỉ IP, khám phá cấu trúc LLDP, thiết lập AR) mà tổng cộng mất vài giây trước khi thiết bị IO có thể trao đổi dữ liệu quy trình với bộ điều khiển. 

Với cấu hình Khởi động nhanh, quy trình này được tăng tốc bằng cách cấu hình trước các tham số IP của thiết bị trong bộ nhớ không bay hơi và bỏ qua các giai đoạn khám phá — giảm thời gian khởi động xuống dưới một giây. 

Khả năng này chủ yếu quan trọng trong các ứng dụng mà thời gian khởi động lại máy là rất quan trọng: các trạm lắp ráp ô tô nơi mỗi giây thời gian khởi động lại làm tốn kém sản xuất, máy đóng gói nơi người vận hành máy mong đợi nhấn nút Bắt đầu và máy hoạt động ngay lập tức, và các ứng dụng an toàn nơi khởi động lại nhanh sau sự kiện dừng khẩn cấp giúp giảm thiểu tổn thất sản xuất.

Đối với hầu hết các cài đặt cố định nơi thời gian khởi động không phải là biến số quan trọng (máy đã tắt cả tuần; thêm vài giây để khởi động lại không đáng kể), khởi động PROFINET tiêu chuẩn là hoàn toàn đầy đủ.

Q4: Tính năng chẩn đoán web mở rộng hoạt động như thế nào và nó có thể hiển thị thông tin gì?

CP 443-1 lưu trữ một máy chủ web tích hợp có thể truy cập thông qua bất kỳ trình duyệt web tiêu chuẩn nào trên mạng nhà máy — không cần cài đặt phần mềm trên PC khách, không cần STEP 7. Màn hình chẩn đoán web mở rộng bao gồm: trạng thái và cấu hình của chính CP 443-1 (địa chỉ IP, phiên bản firmware, địa chỉ MAC, trạng thái hoạt động), trạng thái của tất cả các thiết bị PROFINET IO đã cấu hình (thiết bị nào đang giao tiếp bình thường, thiết bị nào bị lỗi, loại lỗi mà mỗi thiết bị báo cáo), chẩn đoán cấp mô-đun cho các trạm ET 200S và ET 200M (khe cắm nào bị lỗi) và bộ đệm chẩn đoán của CPU S7-400 (sự kiện báo động, lỗi phần cứng, sự kiện hệ thống có dấu thời gian).

Siemens cũng cho phép kỹ sư nhà máy tạo các trang web tùy chỉnh hiển thị thông tin bổ sung — giá trị dữ liệu quy trình tùy chỉnh, số lượng sản xuất, trạng thái máy — được lấy từ các khối dữ liệu của CPU S7-400 thông qua truy cập dữ liệu nội bộ của CP 443-1. 

Các trang tùy chỉnh này có thể đóng vai trò là màn hình vận hành cơ bản có thể truy cập từ bất kỳ PC nào trên mạng nhà máy mà không cần cài đặt máy khách HMI SCADA.

Q5: CP 443-1 hỗ trợ UDP/IP ngoài TCP/IP. Các trường hợp sử dụng tự động hóa nào đặc biệt cần UDP thay vì TCP?

TCP/IP cung cấp khả năng truyền dữ liệu đáng tin cậy, có thứ tự, được kiểm tra lỗi — nếu một gói bị mất trong quá trình truyền, TCP sẽ tự động truyền lại trước khi ứng dụng nhận được bất kỳ dữ liệu nào. Điều này làm cho TCP lý tưởng cho truyền thông S7 (PUT/GET), truyền tệp FTP và bất kỳ trao đổi nào mà mọi byte dữ liệu phải đến đúng.

Ngược lại, UDP/IP không cung cấp truyền lại, không đảm bảo thứ tự và không xác nhận giao hàng — nó chỉ gửi gói tin và tiếp tục. Giá trị của UDP nằm ở độ trễ thấp hơn: không có chi phí xác nhận và truyền lại, các gói UDP đến nhanh hơn (hoặc bị loại bỏ im lặng nếu bị mất), điều này có thể chấp nhận được khi tính kịp thời quan trọng hơn tính tin cậy.

Trong tự động hóa công nghiệp, UDP được sử dụng để phát sóng dữ liệu quy trình thời gian thực (một master gửi giá trị quy trình đến nhiều người nhận nơi việc mất một bản cập nhật đôi khi có thể chấp nhận được vì bản cập nhật tiếp theo đến nhanh chóng), cho các giao thức đồng bộ hóa thời gian (NTP/SNTP sử dụng UDP vì các gói thời gian phải mới, không bị trì hoãn bởi việc truyền lại các gói cũ) và cho một số ứng dụng thăm dò SCADA nơi hệ thống giám sát gửi các truy vấn nhanh chóng và ưu tiên phản hồi ngay lập tức hơn là chờ đợi chu kỳ truyền lại TCP.

CP 443-1 hỗ trợ cả hai, và nhóm kỹ thuật chọn giao thức truyền tải phù hợp cho mỗi mối quan hệ truyền thông dựa trên các đánh đổi này.