ons het gepraat oor hoe busse en protokolle in industriële outomatisering werk. Hierdie keer sal ons fokus op moderne werkende oplossings: ons sal kyk watter protokolle in stelsels regoor die wêreld gebruik word. Kom ons kyk na die tegnologieë van die Duitse maatskappye Beckhoff en Siemens, die Oostenrykse B&R, die Amerikaanse Rockwell Automation en die Russiese Fastwel. Ons sal ook universele oplossings bestudeer wat nie aan 'n spesifieke vervaardiger gekoppel is nie, soos EtherCAT en CAN.
Aan die einde van die artikel sal daar 'n vergelykingstabel wees met die kenmerke van die EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP en ModbusTCP protokolle.
Ons het nie PRP, HSR, OPC UA en ander protokolle in die hersiening ingesluit nie, want Daar is reeds uitstekende artikels daaroor op Habré deur ons mede-ingenieurs wat besig is om industriële outomatiseringstelsels te ontwikkel. Byvoorbeeld, и .
Kom ons definieer eers die terminologie: Industriële Ethernet = industriële netwerk, Veldbus = veldbus. In Russiese industriële outomatisering is daar verwarring in terme wat verband hou met die veldbus en die laer-vlak industriële netwerk. Dikwels word hierdie terme gekombineer in 'n enkele, vae konsep genaamd "laer vlak", waarna verwys word as beide 'n veldbus en 'n subvlakbus, hoewel dit dalk glad nie 'n bus is nie.
Hoekom so?Hierdie verwarring is heel waarskynlik te wyte aan die feit dat in baie moderne beheerders, die koppeling van I/O-modules dikwels geïmplementeer word deur 'n backplane of 'n fisiese bus te gebruik. Dit wil sê, sekere buskontakte en verbindings word gebruik om verskeie modules in 'n enkele eenheid te kombineer. Maar sulke nodusse kan op hul beurt deur beide 'n industriële netwerk en 'n veldbus met mekaar verbind word. In Westerse terminologie is daar 'n duidelike verdeling: 'n netwerk is 'n netwerk, 'n bus is 'n bus. Die eerste word aangedui deur die term Industrial Ethernet, die tweede deur Fieldbus. Die artikel stel voor om onderskeidelik die term "industriële netwerk" en die term "veldbus" vir hierdie konsepte te gebruik.
Industriële netwerkstandaard EtherCAT, ontwikkel deur Beckhoff
Die EtherCAT-protokol en industriële netwerk is miskien een van die vinnigste metodes van data-oordrag in outomatiseringstelsels vandag. Die EtherCAT-netwerk word suksesvol gebruik in verspreide outomatiseringstelsels, waar interaksie nodusse oor lang afstande geskei word.
Die EtherCAT-protokol gebruik standaard Ethernet-rame om sy telegramme uit te stuur, so dit bly versoenbaar met enige standaard Ethernet-toerusting en in werklikheid kan data-ontvangs en -transmissie op enige Ethernet-beheerder georganiseer word, mits die toepaslike sagteware beskikbaar is.
Beckhoff-beheerder met 'n stel I/O-modules. Bron:
Die protokolspesifikasie is oop en beskikbaar, maar slegs binne die raamwerk van die ontwikkelingsvereniging - EtherCAT Technology Group.
Hier is hoe EtherCAT werk (die skouspel is betowerend, soos die speletjie Zuma Inca):
Die hoë uitruilspoed in hierdie protokol - en ons kan praat oor eenhede van mikrosekondes - word gerealiseer as gevolg van die feit dat die ontwikkelaars geweier het om uit te ruil met behulp van telegramme wat direk na 'n spesifieke toestel gestuur is. In plaas daarvan word een telegram na die EtherCAT-netwerk gestuur, gerig aan alle toestelle op dieselfde tyd, elk van die slawe-nodusse vir die insameling en oordrag van inligting (hulle word ook dikwels OSO genoem - objekkommunikasietoestel) neem daarvan "on the fly" die data wat daarvoor bedoel was en voeg in 'n telegram die data in wat hy gereed is om vir uitruiling te verskaf. Die telegram word dan na die volgende slaafnodus gestuur, waar dieselfde bewerking plaasvind. Nadat al die beheertoestelle deurgegaan is, word die telegram na die hoofbeheerder teruggestuur, wat, gebaseer op die data wat van die slawetoestelle ontvang is, die beheerlogika implementeer, weer in wisselwerking deur die telegram met die slaafnodusse, wat 'n beheersein uitreik na die toerusting.
'n EtherCAT-netwerk kan enige topologie hê, maar in wese sal dit altyd 'n ring wees - as gevolg van die gebruik van volle dupleksmodus en twee Ethernet-verbindings. Op hierdie manier sal die telegram altyd opeenvolgend na elke toestel op die bus versend word.
Skematiese voorstelling van 'n Ethercat-netwerk met veelvuldige nodusse. Bron:
Terloops, die EtherCAT-spesifikasie bevat nie beperkings op die 100Base-TX fisiese laag nie, so implementering van die protokol is moontlik gebaseer op gigabit en optiese lyne.
Oop industriële netwerke en PROFIBUS/NET-standaarde van Siemens
Die Duitse onderneming Siemens is lank reeds bekend vir sy programmeerbare logiese beheerders (PLC's), wat oor die hele wêreld gebruik word.
Data-uitruiling tussen nodusse van 'n outomatiese stelsel wat deur Siemens-toerusting beheer word, word sowel via 'n veldbus genaamd PROFIBUS as in die PROFINET-industriële netwerk uitgevoer.
Die PROFIBUS-bus gebruik 'n spesiale tweekernkabel met DB-9-verbindings. Siemens het dit in pers, maar ons het ander in die praktyk gesien :). Om veelvuldige nodusse te verbind, kan 'n koppelaar twee kabels verbind. Dit het ook 'n skakelaar vir die terminale weerstand. Die terminale weerstand moet aangeskakel word by die eindtoestelle van die netwerk, wat dus aandui dat dit die eerste of laaste toestel is, en daarna is daar niks nie, net duisternis en leegheid (alle rs485s werk so). As jy 'n weerstand op die tussenverbinding aanskakel, sal die gedeelte wat daarop volg, afgeskakel word.
PROFIBUS-kabel met koppelstukke. Bron:
Die PROFINET-netwerk gebruik 'n analoog gedraaide paar-kabel, gewoonlik met RJ-45-verbindings, die kabel is groen gekleur. As die topologie van PROFIBUS 'n bus is, dan kan die topologie van die PROFINET-netwerk enigiets wees: 'n ring, 'n ster, 'n boom, of alles saam.
Siemens kontroleerder met gekoppelde PROFINET kabel. Bron: w3.siemens.com
Daar is verskeie kommunikasieprotokolle op die PROFIBUS-bus en in die PROFINET-netwerk.
Vir PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - die implementering van hierdie protokol behels kommunikasie met afgeleë slawe-toestelle; in die geval van PROFINET stem hierdie protokol ooreen met die PROFINET IO-protokol.
- PROFIBUS PA is in wese dieselfde as PROFIBUS DP, slegs gebruik vir ontploffingsvaste weergawes van data-oordrag en kragtoevoer (analoog aan PROFIBUS DP met verskillende fisiese eienskappe). Vir PROFINET bestaan daar nog nie 'n ontploffingsvaste protokol soortgelyk aan PROFIBUS nie.
- PROFIBUS FMS - ontwerp vir data-uitruiling met stelsels van ander vervaardigers wat nie PROFIBUS DP kan gebruik nie. Die PROFIBUS FMS-analoog in die PROFINET-netwerk is die PROFINET CBA-protokol.
Vir PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET KBA.
Die PROFINET IO-protokol word in verskeie klasse verdeel:
- PROFINET NRT (nie-intydse) - word gebruik in toepassings waar tydsberekeningsparameters nie krities is nie. Dit gebruik die Ethernet TCP/IP data-oordragprotokol sowel as UDP/IP.
- PROFINET RT (intydse) - hier word I/O-data-uitruiling geïmplementeer met behulp van Ethernet-rame, maar diagnostiese en kommunikasiedata word steeds via UDP/IP oorgedra.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Hierdie protokol is spesifiek ontwikkel vir bewegingsbeheertoepassings en sluit 'n isochrone data-oordragfase in.
Wat die implementering van die PROFINET IRT-harde-intydse protokol betref, vir kommunikasie met afgeleë toestelle onderskei dit twee uitruilkanale: isochronies en asinchronies. 'n Isochrone kanaal met 'n vaste uitruilsikluslengte gebruik kloksinchronisasie en stuur tydkritieke data uit; tweedevlaktelegramme word vir transmissie gebruik. Die transmissieduur in 'n isochrone kanaal oorskry nie 1 millisekonde nie.
Die asynchrone kanaal stuur sogenaamde intydse data uit, wat ook via 'n MAC-adres aangespreek word. Daarbenewens word verskeie diagnostiese en hulpinligting oor TCP/IP oorgedra. Nie intydse data, nog minder ander inligting, natuurlik, kan die isochrone siklus onderbreek nie.
Die uitgebreide stel PROFINET IO-funksies is nie nodig vir elke industriële outomatiseringstelsel nie, so hierdie protokol is afgeskaal vir 'n spesifieke projek, met inagneming van voldoeningsklasse of ooreenstemmingsklasse: CC-A, CC-B, CC-CC. Voldoeningsklasse laat jou toe om veldtoestelle en ruggraatkomponente te kies met die minimum vereiste funksionaliteit.
Bron:
Die tweede uitruilprotokol in die PROFINET-netwerk - PROFINET CBA - word gebruik om industriële kommunikasie tussen toerusting van verskillende vervaardigers te organiseer. Die hoofproduksie-eenheid in IAS-stelsels is 'n sekere entiteit wat 'n komponent genoem word. Hierdie komponent is gewoonlik 'n versameling meganiese, elektriese en elektroniese onderdele van 'n toestel of installasie, sowel as gepaardgaande toepassingsagteware. Vir elke komponent word 'n sagtewaremodule gekies wat 'n volledige beskrywing bevat van die koppelvlak van hierdie komponent in ooreenstemming met die vereistes van die PROFINET-standaard. Daarna word hierdie sagtewaremodules gebruik om data met toestelle uit te ruil.
B&R Ethernet POWERLINK-protokol
Die Powerlink-protokol is in die vroeë 2000's deur die Oostenrykse maatskappy B&R ontwikkel. Dit is nog 'n implementering van 'n intydse protokol bo-op die Ethernet-standaard. Die protokolspesifikasie is beskikbaar en vrylik versprei.
Powerlink-tegnologie gebruik 'n sogenaamde gemengde peilingmeganisme, wanneer alle interaksie tussen toestelle in verskeie fases verdeel word. Veral kritiese data word in die isochrone uitruilfase versend, waarvoor die vereiste reaksietyd gekonfigureer is; die oorblywende data sal, waar moontlik, in die asinchrone fase versend word.
B&R-beheerder met 'n stel I/O-modules. Bron: br-automation.com
Die protokol is oorspronklik bo-op die 100Base-TX fisiese laag geïmplementeer, maar later is 'n gigabit-implementering ontwikkel.
Die Powerlink-protokol gebruik 'n kommunikasieskeduleringsmeganisme. ’n Sekere merker of beheerboodskap word na die netwerk gestuur, met behulp waarvan bepaal word watter van die toestelle tans toestemming het om data uit te ruil. Slegs een toestel kan toegang tot die uitruil op 'n slag hê.
Skematiese voorstelling van 'n Ethernet POWERLINK-netwerk met veelvuldige nodusse.
In die isochrone fase stuur die stemkontroleerder opeenvolgend 'n versoek na elke nodus vanwaar dit kritieke data moet ontvang.
Die isochrone fase word uitgevoer, soos reeds genoem, met 'n verstelbare siklustyd. In die asynchrone fase van die uitruil word die IP-protokolstapel gebruik, die beheerder versoek nie-kritiese data van alle nodusse, wat 'n reaksie stuur soos hulle toegang kry om na die netwerk te stuur. Die tydverhouding tussen die isochrone en asinchrone fases kan met die hand aangepas word.
Rockwell Automation Ethernet/IP-protokol
Die EtherNet/IP-protokol is ontwikkel met die aktiewe deelname van die Amerikaanse maatskappy Rockwell Automation in 2000. Dit gebruik die TCP- en UDP IP-stapel, en brei dit uit vir industriële outomatiseringstoepassings. Die tweede deel van die naam, in teenstelling met die algemene opvatting, beteken nie internetprotokol nie, maar industriële protokol. UDP IP gebruik die CIP (Common Interface Protocol) kommunikasiestapel, wat ook in ControlNet/DeviceNet-netwerke gebruik word en bo-op TCP/IP geïmplementeer word.
Die EtherNet/IP-spesifikasie is publiek beskikbaar en vrylik beskikbaar. Die Ethernet/IP-netwerktopologie kan arbitrêr wees en sluit ring, ster, boom of bus in.
Benewens die standaardfunksies van die HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet/IP-protokolle, implementeer dit die oordrag van tydkritieke data tussen die stemkontroleerder en I/O-toestelle. Die oordrag van nie-tydkritieke data word deur TCP-pakkies verskaf, en die tydkritieke aflewering van sikliese beheerdata word via die UDP-protokol uitgevoer.
Om tyd in verspreide stelsels te sinchroniseer, gebruik EtherNet/IP die CIPsync-protokol, wat 'n uitbreiding van die CIP-kommunikasieprotokol is.
Skematiese voorstelling van 'n Ethernet/IP-netwerk met verskeie nodusse en verbinding van Modbus-toestelle. Bron:
Om EtherNet/IP-netwerkopstelling te vereenvoudig, kom die meeste standaard outomatiseringstoestelle met voorafbepaalde konfigurasielêers.
Implementering van die FBUS-protokol by Fastwel
Ons het lank gedink of ons die Russiese maatskappy Fastwel in hierdie lys moet insluit met sy binnelandse implementering van die FBUS-industriële protokol, maar toe besluit ons om 'n paar paragrawe te skryf vir 'n beter begrip van die realiteite van invoervervanging.
Daar is twee fisiese implementerings van FBUS. Een daarvan is 'n bus waarin die FBUS-protokol bo-op die RS485-standaard loop. Daarbenewens is daar 'n implementering van FBUS in 'n industriële Ethernet-netwerk.
FBUS kan kwalik 'n hoëspoedprotokol genoem word; die reaksietyd hang sterk af van die aantal I/O-modules op die bus en van die uitruilparameters; dit wissel gewoonlik van 0,5 tot 10 millisekondes. Een FBUS-slaafnodus kan slegs 64 I/O-modules bevat. Vir 'n veldbus kan die kabellengte nie 1 meter oorskry nie, so ons praat nie van verspreide stelsels nie. Of eerder, dit doen dit, maar slegs wanneer 'n industriële FBUS-netwerk oor TCP/IP gebruik word, wat 'n paar keer 'n toename in stemtyd beteken. Busverlengingskoorde kan gebruik word om modules aan te sluit, wat dit moontlik maak vir die gerieflike plasing van modules in die outomatiseringskas.
Fastwel-beheerder met gekoppelde I/O-modules. Bron:
Totaal: hoe dit alles in die praktyk in geoutomatiseerde prosesbeheerstelsels gebruik word
Natuurlik is die verskeidenheid tipes moderne industriële data-oordragprotokolle baie groter as wat ons in hierdie artikel beskryf het. Sommige is gekoppel aan 'n spesifieke vervaardiger, ander, inteendeel, is universeel. By die ontwikkeling van outomatiese prosesbeheerstelsels (APCS), kies die ingenieur die optimale protokolle, met inagneming van spesifieke take en beperkings (tegnies en begroting).
As ons praat oor die voorkoms van 'n spesifieke uitruilprotokol, kan ons 'n diagram van die maatskappy verskaf HMS Networks AB, wat die markaandele van verskeie uitruiltegnologieë in industriële netwerke illustreer.
Bron:
Soos in die diagram gesien kan word, beklee PRONET en PROFIBUS van Siemens die leidende posisies.
Interessant genoeg, 6 jaar gelede .
Die tabel hieronder bevat opsommende data oor die beskryfde uitruilprotokolle. Sommige parameters, byvoorbeeld prestasie, word in abstrakte terme uitgedruk: hoog / laag. Numeriese ekwivalente kan gevind word in prestasie-analise-artikels.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
ProfiNet
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fisiese laag
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Data vlak
|
Kanaal (Ethernet-rame)
|
Kanaal (Ethernet-rame)
|
Kanaal (Ethernet-rame), Netwerk/vervoer (TCP/IP)
|
Netwerk/vervoer (TCP/IP)
|
Netwerk/vervoer (TCP/IP)
|
|
Intydse ondersteuning
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Geen
|
|
produktiwiteit
|
High
|
High
|
IRT – hoog, RT – medium
|
Gemiddeld
|
lae
|
|
Kabellengte tussen nodusse
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Oordragfases
|
Geen
|
Isochrone + asinchrone
|
IRT – isochronies + asinchroon, RT – asinchroon
|
Geen
|
Geen
|
|
Aantal nodusse
|
65535
|
240
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
|
Botsingsresolusie
|
Ringtopologie
|
Kloksinchronisasie, transmissiefases
|
Ringtopologie, transmissiefases
|
Skakelaars, stertopologie
|
Skakelaars, stertopologie
|
|
Warm ruil
|
Geen
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Afhangende van die implementering
|
|
Koste van toerusting
|
lae
|
lae
|
High
|
Gemiddeld
|
lae
|
Die toepassingsgebiede van die beskryfde uitruilprotokolle, veldbusse en industriële netwerke is baie uiteenlopend. Van die chemiese en motorbedryf tot lugvaarttegnologie en elektroniese vervaardiging. Hoëspoed-uitruilprotokolle is in aanvraag in intydse posisioneringstelsels vir verskeie toestelle en in robotika.
Met watter protokolle het jy gewerk en waar het jy dit toegepas? Deel jou ervaring in die kommentaar. 🙂
Bron: will.com