PROFINET non teme confronti

PROFINET non teme confronti
PROFINET
non teme confronti
Paolo Ferrari
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Brescia,
Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy)
Tel: +39-030-3715445 fax: +39-030-380014
e-mail: [email protected]
CSMT Gestione Scarl
Centro di Competenza PROFIBUS e PROFINET - Brescia
http://profinet.csmt.it
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PROFINET non teme confronti
Sommario
Parliamo di PROFINET, cioè di
• Protocollo (Scalabilità, Coesistenza)
• Architetture di rete e nuove possibilità
• Avvio rapido
• Ridondanza
• Sicurezza funzionale
• Wireless
• Risparmio ed efficienza energetica
• Protocollo isocrono con prestazioni che non temono
confronti
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PROFINET non teme confronti
La comunicazione in PROFINET
Comunicazione
standard
100ms
Automazione
di fabbrica
Applicazioni al
Motion Control
RT_Class 1
RT_Class 2 e 3
10ms
<1ms
IT Services, TCP/IP
RealReal-Time:
IRT
Una mezzo di comunicazione omogeneo per tutte le necessità degli
utilizzatori
• Comunicazione Real-Time scalabile fino all’isocrono
• Apertura ai servizi IT e TCP/IP senza restrizioni
• e tutto su un’unica rete = integrazione orizzontale e verticale
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PROFINET non teme confronti
PROFINET IO: terminologia
PROFINET IO-Controller:
Scambia dati con gli IO-Device ad esso assegnati
Dispositivo che contiene il programma applicativo
PROFINET IO-Device:
Dispositivo di campo collegata all’IO-Controller
PROFINET IO-Supervisor:
HMI e diagnostica della stazione
PROFINET IO-System
Comprende un IO-controller e i suoi IO-Device
Confronto nomi PROFIBUS con nomi PROFINET
DP Master system
PROFINET IO System
DP Master
PROFINET IO-Controller
DP Slave
PROFINET IO-Device
DP Master classe 2
PROFINET IO-Supervisor
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PROFINET IO: scambio dati tra controller e device
Tra l’IO-Controller and IO-Device esiste relazione
Si possono scambiare diversi tipi di dati: configurazione, dati di
processo e allarmi
Lo scambio dati non deve essere simmetrico… NON è un master
slave!
Canale Standard
Canale RealReal-Time
Configurazione
Dati di processo
Canale RealReal-Time
Allarmi
Record data CR
IO data CR
Alarm CR
IO-Controller
IO-Device
AR
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PROFINET non teme confronti
PROFINET IO: Prestazioni dei diversi canali
RTE Cl.3
Cl.2
RTE Cl.1
15%
0.031...1.0
0.25...1.0
msec
10
msec
IRT= isochronous
real time
Non RTE
100%
100
msec
RT= real time Cl. 1
t
TCP, DCOM,
IP, HTTP…
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PROFINET IO in una parola: scalabile
L’applicazione guida la scelta delle prestazioni da richiedere ai
componenti
Diversi componenti PROFINET IO con prestazioni differenti
convivono nella stessa rete
Scalabilità in tutte le direzioni
Prestazioni
Ridondanza
Gestione della rete
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“Prestazioni”…
necessità di un contesto
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Real-Time Ethernet – stack di comunicazione
Questo è uno schema generale che rappresenta lo stack di
comunicazione di una soluzione Real-time Ethernet.
In questo contesto, quando si parla di “prestazioni” di un sistema
ci si riferisce alla “velocità di trasferimento” dati dal punto A al punto B
Receive data
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
A
Receive data
B
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
Real-time MAC
Real-time MAC
Ethernet PHY
Ethernet PHY
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PROFINET non teme confronti
…e il resto del sistema?
La comunicazione è solo una parte (piccola)
La comunicazione è gestita dal sistema operativo Real-time del dispositivo
Receive
application data
Send
application Data
Receive
application data
Send
application Data
Sistema
Operativo
Altri servizi
Sistema
Operativo
Altri servizi
Sistema Operativo
Kernel Real-time
Sistema Operativo
Kernel Real-time
Receive data
Receive data
Send Data
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
Real-time
Application
Service
interface
Real-time MAC
Real-time MAC
Ethernet PHY
Ethernet PHY
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Manca ancora l’applicazione !
Uno o più programmi applicativi gestiscono i dati provenienti/diretti
agli altri dispositivi in campo
L’insieme di tutte le parti è il “sistema di automazione”
Task
1 1 Task
n n
Task
Task 1 TaskTask
n
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Receive
application data
Send
application Data
Task
1 1 Task
n n
Task
Task 1 TaskTask
n
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Receive
application data
Send
application Data
Sistema
Operativo
Altri servizi
Sistema
Operativo
Altri servizi
Sistema Operativo
Kernel Real-time
Receive data
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
Sistema Operativo
Kernel Real-time
Receive data
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
Real-time MAC
Real-time MAC
Ethernet PHY
Ethernet PHY
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Considerazioni sui tempi di attraversamento
Il tempo di attraversamento dello stack fino a raggiungere il programma
applicativo, cresce con la complessità del dispositivo
Il sistema operativo del dispositivo
deve gestire anche altre applicazioni,
non solo la comunicazione
Usare un processore dedicato
per la comunicazione non risolve
il problema
Task
1 1 Task
n n
Task
Task 1 Task
Task n
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Programma
Applicativo
Receive
application data
Send
application Data
Sistema
Operativo
Altri servizi
Sistema Operativo
Kernel Real-time
e neppure usare un livello fisico più veloce…
Receive data
Send Data
Real-time
Application
Service
interface
Real-time MAC
Ethernet PHY
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Falsi miti: Ethernet Gigabit (futuro o presente?)
Offre più banda:
implica processori più veloci per gestire più pacchetti al secondo
... altrimenti significa solo “stessi dati trasmessi in meno tempo”
Svantaggi
Livello fisico più complesso di 100Base-TX.
Consumi più elevati
Servono 8 fili invece degli 4 del 100Base-TX
Prestazioni di sincronizzazione uguali
a quelle del 100BaseTx
1
Ottimo per le dorsali nel caso
di topologia a cascata di stelle/alberi
2
3
11
10
4
5
9
8
7
6
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Falsi miti: cicli di scansione ridotti
Gestione del pacchetto che arriva: ad ogni ciclo corrisponde un interrupt
Bisogna processare i dati in arrivo e preparare i dati per il prossimo ciclo
Tempi di guardia: il tempo di elaborazione è sensibilmente minore
rispetto a quello del ciclo di comunicazione
Tempo preparazione
risposta
Latenza servizio
callback interrupt
Elaborazione
dati
Pacchetto
in arrivo
Durata tempo di ciclo
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Situazione attuale – stato dell’arte
Solo poche applicazioni reali attualmente richiedono tempi di
ciclo di elaborazione < 125us
Il più veloce sistema commerciale “industry grade” ha un tempo di servizio
delle callback di circa 30us
Se l’algoritmo di controllo richiede più di 30us allora è possibile
implementare sistemi che non perdono neppure un dato operanti a 62.5us
L’unica applicazione reale disponibile su hardware “industry grade”
è quella dello ZHAW (Institute of Embedded Systems) di Zurigo che
raggiunge i 62.5 us
Nota: La maggior parte di applicazioni lavora bene anche in sistemi
non sincronizzati con tempi di ciclo nell’ordine di 1 ms.
La nostra esperienza durante le validazioni ha messo in risalto
una variabilità massima di 0.5 ms in sistemi con oltre 300 nodi
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Barra delle prestazioni
Prestazioni e numerosità di applicazioni reali a confronto
1 ms
8 ms
250 us
125 us
62.5 us
31.25 us
Numero di
applicazioni
95%
4%
0.1%
0.9%
Prestazioni sistema
PROFINET IO RT
PROFINET IO IRT
senza DFP e
senza frammentazione
Limite appliapplicazioni reali
attuali
Unico
controllore reale
industry grade
PROFINET IO IRT
con DFP e
frammentazione
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PROFINET IO offre
prestazioni sempre al vertice
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PROFINET IO: Real-Time Ethernet
Separazione nel tempo del traffico a priorità maggiore nel tempo
I dati critici usano un canale separato nel tempo.
E’ ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP.
IRT
channel
Open
channel
(TCP/IP)
Cycle 1
Open
channel
(TCP/IP)
IRT
channel
Cycle 2
Cycle n
E.g. 1 ms position control cycle
Synchronization
Deterministic communication
Open communication
IRT data
TCP/IP data
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PROFINET IO: Real-Time Ethernet
Separazione nel tempo del traffico a priorità maggiore nel tempo
I dati critici usano un canale separato nel tempo.
E’ ancora possibile usare la comunicazione standard basata su IP.
IRT
interval
TCP/IP
Cycle 1
Isochronous
communication
IRT data
IRT
interval
TCP/IP
Cycle 2
= time window
RT
communication
RT data
IRT
interval
TCP/IP
Cycle n
Standard
communication
TCP/IP data
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PROFINET IO: funzionalità di switching avanzate
IRT
IRT
IRT
IRT
RT
RT
IRT Switch
RT Switch
IRT Phase
RT Phase
Switch
RT
IRT
IRT
IRT
IRT
Sincronizzazione
(IEEE1588 like)
RT
IRT Switch
RT Switch
IRT Phase
RT Phase
Switch
Caratteristiche:
• La sincronizzazione è necessaria affinché tutti sulla rete
conoscano il momento di inizio del ciclo
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PROFINET IO: Integrazione con l’infrastruttura esistente
Switch
Switch IRT
Switch
Switch IRT
Switch
Sync master
Switch IRT
Switch
Switch
Switch
Switch
Switch IRT
Switch IRT
Switch IRT
Switch
Switch
IRT network
Switch
Switch
Switch
Switch
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PROFINET IO: Ottimizzazione in 4 passi
Fast Forwarding: ottimizzazione del tempo di inoltro dei pacchetti da
parte degli switch
Dynamic Frame Packing: singolo frame per più dispositivi
Fragmentation: gestione efficiente della frammentazione per ottenere
tempi di ciclo ridotti
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PROFINET IO: Dettagli dell’ottimizzazione Fast Forwarding
Riduzione della durata del preambolo
Riduzione dei tempi di trasmissione hardware (PortRXDelay e
PortTXDelay)
Frame ID diventa parte del Destination Address
Preamble
8 Octets
DA
Octets
SA
VLAN*) Ethertype FrameID
6 Octets 4 Octets 2 Octets 2 Octets
Data
Trailer
4 Octets
Data
Trailer
4 Octets
Bridge delay minimo = 28 Ottetti
Preamble DA
SA
VLAN*) Ethertype FrameID
6 Octets FID 6 Octets 4 Octets 2 Octets
2 Octets
2 Octets
Fast Forwarding ottimizzato = 8 Ottetti
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PROFINET IO: Dynamic Frame Packing
Condizioni
Comunicazione sincronizzata (Conformance Class C)
Frame dati di tipo RT_Class_3
Supporto del Fast Forwarding
Conoscenza della topologia
Principio di funzionamento
Definizione del DFP-domain (grupo di IO-Device)
Trasmissione di tutte le uscite in un unico frame
Trasmissione di tutti gli ingressi in un unico frame
Operazioni nello switch
Frame DFP ricevuti nell’intervallo riservato?
Frame ID corretto?
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PROFINET IO: Dynamic Frame Packing – dati di uscita
I datagrammi di uscita per tutti i device sono compattati in un unico
frame
IOC conosce la topologia
T
A1 A2
A1
H Telegram header
A3
H
T
A2
A3
A2
Dev 1
H
T
A3
H
A3
Dev 2
Dev 3
T Trailer
T
A1 A2
A3
H
= struttura dei sub frame
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PROFINET IO: Dynamic Frame Packing – dati di ingresso
La trasmissione inizia simultaneamente
I datagrammi di ingresso di tutti i device sono aggregati in un unico
frame durante il percorso
Lo scheduling è caricato nei device durante lo startup
IOC conosce la topologia
H
E1 E2
E3
T
H
E2
E3
T
H
E1
E2
Dev 1
Dev 2
E3
T
E3
H Telegram header
T Trailer
Dev 3
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PROFINET IO: Fragmentation
Frammentazione è necessaria solo per tempi di ciclo inferiori a 250 µs
In quel caso, i telegrammi non PROFINET da trasmettere nella fase
Open potrebbero dover essere spezzati in pacchetti più piccoli e
riassemblati a destinazione
Tempo di ciclo
(SendClock)
Open interval
Lunghezza
Frame
125 µs
> 51 µs
504
93,75 µs
> 41 µs
376
Lunghezza
raccomandata
frammenti
256
62,5 µs
> 35 µs
304
62,5 µs
> 31 µs
256
31,25 µs
> 20 µs
192
Il più piccolo ciclo
dura 31,25µs
128
31,25 µs
> 15 µs
128
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Alcuni casi di test
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Casi di test per PROFINET IO IRT
IO-C
Controller
Test case 1 – mini sistema centralizzato
IO-D
IO-C
Controller
Test case 2 – sistema medio decentralizzato
IO-D
IO-D
IO-D
Test case 3 – sistema motion medio
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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IO-D
IO-D
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Test case 1 – mini sistema centralizzato
Piccola macchina che comprende 1 IO-Controller e 1 IO-Device
IO-Device ha:
64 (32 in+32 out) canali analogici raggruppati in 16 moduli
136 (64 in +72 out) canali digitali raggruppati in 17 moduli
IO-C
Controller
IO-D
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Test case 1 – mini sistema centralizzato
Piccola macchina che comprende 1 IO-Controller e 1 IO-Device
I frame PROFINET occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 20.88 us
frame output (da IO-C a IO-D): 20.96 us
Tempo riservato per PROFINET IRT : 24.51 us
Tempo di ciclo minimo: 62.5 us [50% per TCP]
IO-C
Controller
IO-D
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Test case 2 – sistema medio decentralizzato
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 IO-Device
(totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici)
Ogni IO-Device ha:
40 (20 in+20 out) canali analogici raggruppati in 10 moduli
160 (88 in + 72 out) canali digitali raggruppati in 23 moduli
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Test case 2 – sistema medio decentralizzato
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 IO-Device
(totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici)
I frame PROFINET di ogni device occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 15.84 us
frame output (da IO-C a IO-D): 15.92 us
Tempo riservato per PROFINET IRT : 96 us
Tempo di ciclo minimo: 250 us [60% per TCP]
(Nota: Tempo di ciclo minimo con architettura a stella = 125 us)
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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IO-D
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PROFINET non teme confronti
Test case 2 – sistema medio decentralizzato (con DFP)
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 12 IO-Device
(totale 2000 IO digitali e 500 IO analogici)
Con DFP attivato e fast forwarding (6 byte overhead per device)
I frame PROFINET occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 79.84 us
frame output (da IO-C a IO-D): 80.32 us
Tempo riservato per PROFINET IRT : 81 us
Tempo di ciclo minimo: 250 us [70% per TCP]
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
(Nota: Tempo di ciclo minimo con architettura a stella = 125 us)
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Test case 3 – sistema motion medio
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 IO-Device di cui 24 drive e
1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 112 IO digitali e 32 IO analogici)
Ogni IO-Device – Profidrive ha:
10 byte input e 10 byte output
Ogni IO-Device ha:
32 (16 in+16 out) canali analogici raggruppati in 8 moduli
112 (56 in + 56 out) canali digitali raggruppati in 14 moduli
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Test case 3 – sistema motion medio
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 IO-Device di cui 24 drive e
1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 110 io digitali e 30 io analogici)
I frame PROFINET Profidrive occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 6.72 us
frame output (da IO-C a IO-D): 6.72 us
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Test case 3 – sistema motion medio
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 IO-Device di cui 24 drive e
1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 110 io digitali e 30 io analogici)
I frame PROFINET occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 10.32 us
frame output (da IO-C a IO-D): 10.32 us
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Test case 3 – sistema motion medio
Macchina che comprende 1 IO-Controller e 25 IO-Device di cui 24 drive e
1 I/O remoto (totale 480 byte per i drive, 110 io digitali e 30 io analogici)
Senza DFP
Tempo riservato per PROFINET IRT : 95 us
Tempo di ciclo minimo: 250 us [60% per TCP]
Con DFP attivato e fast forwarding (6 byte overhead per device)
I frame PROFINET occupano quindi
frame input (da IO-D a IO-C): 79.84 us
frame output (da IO-C a IO-D): 80.32 us
Tempo riservato per PROFINET IRT : 31 us
Tempo di ciclo minimo: 62.5 us [50% per TCP]
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Riassunto risultati PROFINET IO IRT
IO-C
Controller
Test case 1 – mini sistema centralizzato
Tempo di ciclo : 62.5 us [50% per TCP]
IO-D
Test case 2 – sistema medio decentralizzato
Tempo di ciclo senza DFP: 250 us [60% per TCP]
Tempo di ciclo con DFP: 250 us [70% per TCP]
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
Test case 3 – sistema motion medio
Tempo di ciclo senza DFP: 250 us [60% per TCP]
Tempo di ciclo con DFP: 62.5 us [50% per TCP]
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-C
Controller
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
IO-D
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IO-D
IO-D
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PROFINET non teme confronti
Conclusioni
PROFINET è una tecnologia aperta
• Prestazioni ai massimi livelli
• Scalabilità di prodotti e soluzioni
• Coesistenza piena con qualunque applicazione TCP/IP
• Ridondanza per aumentare la disponibilità
• Wireless per le soluzioni flessibili e innovative
• PROFIenergy per il risparmio ed l’efficienza energetica
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