مراجعة البروتوكولات الحديثة في أنظمة الأتمتة الصناعية

في المنشور السابق تحدثنا عن كيفية عمل الحافلات والبروتوكولات في الأتمتة الصناعية. سنركز هذه المرة على حلول العمل الحديثة: سننظر في البروتوكولات المستخدمة في الأنظمة حول العالم. دعونا ننظر في تقنيات الشركات الألمانية Beckhoff وSiemens، وشركة B&R النمساوية، وشركة Rockwell Automation الأمريكية، وشركة Fastwel الروسية. وسندرس أيضًا الحلول العالمية غير المرتبطة بشركة مصنعة معينة، مثل EtherCAT وCAN. 

في نهاية المقال سيكون هناك جدول مقارنة بخصائص بروتوكولات EtherCAT وPOWERLINK وPROFINET وEtherNet/IP وModbusTCP.

لم نقم بتضمين بروتوكولات PRP وHSR وOPC UA وغيرها في المراجعة، لأنه توجد بالفعل مقالات ممتازة عنها عن حبري كتبها زملائنا المهندسين الذين يعملون على تطوير أنظمة الأتمتة الصناعية. على سبيل المثال، "بروتوكولات التكرار "السلسة" لـ PRP وHSR" и "بوابات بروتوكولات التبادل الصناعي على نظام Linux. اجمعها بنفسك".

أولاً، دعونا نحدد المصطلحات: Ethernet الصناعية = الشبكة الصناعية، Fieldbus = ناقل المجال. في الأتمتة الصناعية الروسية، هناك ارتباك فيما يتعلق بالمصطلحات المتعلقة بالحافلة الميدانية والشبكة الصناعية ذات المستوى الأدنى. في كثير من الأحيان يتم دمج هذه المصطلحات في مفهوم واحد غامض يسمى "المستوى الأدنى"، والذي يشار إليه باسم كل من ناقل المجال وحافلة المستوى الفرعي، على الرغم من أنه قد لا يكون حافلة على الإطلاق.

لماذا؟يرجع هذا الالتباس على الأرجح إلى حقيقة أنه في العديد من وحدات التحكم الحديثة، غالبًا ما يتم تنفيذ اتصال وحدات الإدخال/الإخراج باستخدام لوحة الكترونية معززة أو ناقل فعلي. وهذا يعني أنه يتم استخدام جهات اتصال وموصلات معينة للحافلة لدمج عدة وحدات في وحدة واحدة. ولكن يمكن ربط هذه العقد بدورها عن طريق شبكة صناعية وحافلة ميدانية. في المصطلحات الغربية هناك تقسيم واضح: الشبكة عبارة عن شبكة، والحافلة هي حافلة. تم تحديد الأول بمصطلح إيثرنت صناعي، والثاني بمصطلح Fieldbus. يقترح المقال استخدام مصطلح "الشبكة الصناعية" ومصطلح "الحافلة الميدانية" لهذين المفهومين، على التوالي.

معيار الشبكة الصناعية EtherCAT، الذي طوره Beckhoff

ربما يكون بروتوكول EtherCAT والشبكة الصناعية أحد أسرع طرق نقل البيانات في أنظمة التشغيل الآلي اليوم. يتم استخدام شبكة EtherCAT بنجاح في أنظمة الأتمتة الموزعة، حيث يتم فصل العقد المتفاعلة عبر مسافات طويلة.

يستخدم بروتوكول EtherCAT إطارات إيثرنت قياسية لنقل البرقيات الخاصة به، لذلك يظل متوافقًا مع أي معدات إيثرنت قياسية، وفي الواقع، يمكن تنظيم استقبال البيانات ونقلها على أي وحدة تحكم إيثرنت، بشرط توفر البرنامج المناسب.

وحدة تحكم Beckhoff مع مجموعة من وحدات الإدخال/الإخراج. مصدر: www.beckhoff.de

مواصفات البروتوكول مفتوحة ومتاحة، ولكن فقط في إطار جمعية التطوير - EtherCAT Technology Group.

وإليك كيفية عمل EtherCAT (المشهد مذهل، مثل لعبة Zuma Inca):

سرعة التبادل العالية في هذا البروتوكول - ويمكننا الحديث عن وحدات الميكروثانية - تتحقق بسبب رفض المطورين التبادل باستخدام البرقيات المرسلة مباشرة إلى جهاز معين. بدلاً من ذلك، يتم إرسال برقية واحدة إلى شبكة EtherCAT، موجهة إلى جميع الأجهزة في نفس الوقت، وتأخذ منها كل عقدة من العقد التابعة لجمع المعلومات ونقلها (يُطلق عليها غالبًا اسم OSO - جهاز اتصال الكائن) "على الطاير" البيانات المخصصة له ويدرج في برقية البيانات التي هو على استعداد لتقديمها للتبادل. يتم بعد ذلك إرسال البرقية إلى العقدة التابعة التالية، حيث تحدث نفس العملية. بعد المرور عبر جميع أجهزة التحكم، يتم إرجاع البرقية إلى وحدة التحكم الرئيسية، والتي، بناءً على البيانات الواردة من الأجهزة التابعة، تنفذ منطق التحكم، وتتفاعل مرة أخرى من خلال البرقية مع العقد التابعة، التي تصدر إشارة تحكم إلى المعدات.

يمكن أن تحتوي شبكة EtherCAT على أي هيكل، ولكنها في جوهرها ستكون دائمًا حلقة - بسبب استخدام وضع الازدواج الكامل وموصلي Ethernet. بهذه الطريقة، سيتم دائمًا إرسال البرقية بشكل تسلسلي إلى كل جهاز على متن الناقل.

تمثيل تخطيطي لشبكة Ethercat ذات العقد المتعددة. مصدر: realpars.com

بالمناسبة، لا تحتوي مواصفات EtherCAT على قيود على الطبقة المادية 100Base-TX، لذا فإن تنفيذ البروتوكول ممكن استنادًا إلى خطوط جيجابت والخطوط الضوئية.

الشبكات الصناعية المفتوحة ومعايير PROFIBUS/NET من شركة Siemens

اشتهرت شركة Siemens الألمانية منذ فترة طويلة بوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، والتي يتم استخدامها في جميع أنحاء العالم.

يتم تبادل البيانات بين عقد النظام الآلي الذي تسيطر عليه معدات سيمنز عبر ناقل ميداني يسمى PROFIBUS وفي شبكة PROFINET الصناعية.

يستخدم ناقل PROFIBUS كبلًا خاصًا ثنائي النواة مزودًا بموصلات DB-9. تمتلك شركة سيمنز اللون الأرجواني، لكننا رأينا الآخرين في الممارسة العملية :). لتوصيل عقد متعددة، يمكن للموصل توصيل كابلين. كما أن لديها مفتاحًا للمقاوم الطرفي. يجب تشغيل المقاوم الطرفي عند الأجهزة الطرفية للشبكة، مما يشير إلى أن هذا هو الجهاز الأول أو الأخير، وبعده لا يوجد شيء، فقط الظلام والفراغ (جميع أجهزة rs485 تعمل بهذه الطريقة). إذا قمت بتشغيل المقاوم على الموصل المتوسط، فسيتم إيقاف تشغيل القسم التالي له.

كابل PROFIBUS مزود بموصلات متصلة. مصدر: ضوابط VIPAأمريكا

تستخدم شبكة PROFINET كبلًا مزدوجًا تناظريًا مجدولًا، عادةً مع موصلات RJ-45، ويكون الكبل ملونًا باللون الأخضر. إذا كانت طوبولوجيا PROFIBUS عبارة عن حافلة، فيمكن أن تكون طوبولوجيا شبكة PROFINET أي شيء: حلقة، أو نجمة، أو شجرة، أو كل شيء معًا.

وحدة تحكم Siemens مع كابل PROFINET متصل. المصدر: w3.siemens.com

توجد العديد من بروتوكولات الاتصال على ناقل PROFIBUS وفي شبكة PROFINET.

بالنسبة إلى بروفيبوس:

1. PROFIBUS DP - يتضمن تنفيذ هذا البروتوكول الاتصال بالأجهزة التابعة البعيدة؛ في حالة PROFINET، يتوافق هذا البروتوكول مع بروتوكول PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA هو في الأساس نفس PROFIBUS DP، ويستخدم فقط للإصدارات المقاومة للانفجار لنقل البيانات وإمدادات الطاقة (مشابه لـ PROFIBUS DP بخصائص فيزيائية مختلفة). بالنسبة لـ PROFINET، لا يوجد حتى الآن بروتوكول مقاوم للانفجار مشابه لـ PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS - مصمم لتبادل البيانات مع أنظمة الشركات المصنعة الأخرى التي لا يمكنها استخدام PROFIBUS DP. التناظرية PROFIBUS FMS في شبكة PROFINET هي بروتوكول PROFINET CBA.

بالنسبة للبروفينت:

1. بروفينت آيو؛
2. بروفينت سي بي ايه.

ينقسم بروتوكول PROFINET IO إلى عدة فئات:

• PROFINET NRT (الوقت غير الحقيقي) - يستخدم في التطبيقات التي لا تكون فيها معلمات التوقيت حرجة. ويستخدم بروتوكول نقل البيانات Ethernet TCP/IP بالإضافة إلى UDP/IP.
• PROFINET RT (الوقت الحقيقي) - هنا يتم تنفيذ تبادل بيانات الإدخال/الإخراج باستخدام إطارات Ethernet، ولكن لا يزال يتم نقل بيانات التشخيص والاتصال عبر UDP/IP. 
• PROFINET IRT (الوقت الحقيقي المتزامن) - تم تطوير هذا البروتوكول خصيصًا لتطبيقات التحكم في الحركة ويتضمن مرحلة نقل بيانات متزامنة.

أما بالنسبة لتنفيذ بروتوكول PROFINET IRT الثابت في الوقت الفعلي، فإنه بالنسبة للاتصالات مع الأجهزة البعيدة، فإنه يميز بين قناتين للتبادل: متزامنة وغير متزامنة. تستخدم القناة المتزامنة ذات طول دورة التبادل الثابت مزامنة الساعة وتنقل البيانات الحرجة للوقت؛ وتستخدم برقيات المستوى الثاني للإرسال. لا تتجاوز مدة الإرسال في قناة متزامنة 1 مللي ثانية.

تنقل القناة غير المتزامنة ما يسمى ببيانات الوقت الفعلي، والتي تتم معالجتها أيضًا عبر عنوان MAC. بالإضافة إلى ذلك، يتم إرسال العديد من المعلومات التشخيصية والمساعدة عبر TCP/IP. وبطبيعة الحال، لا تستطيع البيانات في الوقت الفعلي، ناهيك عن المعلومات الأخرى، أن تقاطع الدورة المتزامنة.

ليست هناك حاجة إلى المجموعة الموسعة من وظائف PROFINET IO لكل نظام أتمتة صناعي، لذلك يتم قياس هذا البروتوكول لمشروع معين، مع الأخذ في الاعتبار فئات الامتثال أو فئات التوافق: CC-A، CC-B، CC-CC. تسمح لك فئات الامتثال بتحديد الأجهزة الميدانية والمكونات الأساسية مع الحد الأدنى من الوظائف المطلوبة. 

المصدر: درس جامعة PROFINET

يتم استخدام بروتوكول التبادل الثاني في شبكة PROFINET - PROFINET CBA - لتنظيم الاتصال الصناعي بين المعدات من مختلف الشركات المصنعة. وحدة الإنتاج الرئيسية في أنظمة IAS هي كيان معين يسمى المكون. عادةً ما يكون هذا المكون عبارة عن مجموعة من الأجزاء الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية للجهاز أو التثبيت، بالإضافة إلى البرامج التطبيقية المرتبطة به. لكل مكون، يتم تحديد وحدة برمجية تحتوي على وصف كامل لواجهة هذا المكون وفقًا لمتطلبات معيار PROFINET. وبعد ذلك يتم استخدام وحدات البرامج هذه لتبادل البيانات مع الأجهزة. 

بروتوكول B&R إيثرنت POWERLINK

تم تطوير بروتوكول Powerlink بواسطة الشركة النمساوية B&R في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. يعد هذا تطبيقًا آخر لبروتوكول الوقت الفعلي بالإضافة إلى معيار Ethernet. مواصفات البروتوكول متاحة وموزعة بحرية. 

تستخدم تقنية Powerlink ما يسمى بآلية الاقتراع المختلط، عندما يتم تقسيم كل التفاعل بين الأجهزة إلى عدة مراحل. يتم إرسال البيانات الهامة بشكل خاص في مرحلة التبادل المتزامن، والتي يتم تكوين وقت الاستجابة المطلوب لها؛ وسيتم إرسال البيانات المتبقية، كلما أمكن ذلك، في المرحلة غير المتزامنة.

وحدة تحكم B&R مع مجموعة من وحدات الإدخال/الإخراج. المصدر: br-automation.com

تم تنفيذ البروتوكول في الأصل أعلى الطبقة المادية 100Base-TX، ولكن تم تطوير تطبيق جيجابت لاحقًا.

يستخدم بروتوكول Powerlink آلية جدولة الاتصالات. يتم إرسال علامة معينة أو رسالة تحكم إلى الشبكة، والتي يتم من خلالها تحديد الأجهزة التي لديها إذن حاليًا لتبادل البيانات. يمكن لجهاز واحد فقط الوصول إلى البورصة في المرة الواحدة.

تمثيل تخطيطي لشبكة Ethernet POWERLINK ذات العقد المتعددة.

في المرحلة المتزامنة، تقوم وحدة التحكم في الاستقصاء بإرسال طلب بشكل تسلسلي إلى كل عقدة تحتاج إلى تلقي البيانات الهامة منها. 

يتم تنفيذ المرحلة المتزامنة، كما ذكرنا سابقًا، بزمن دورة قابل للتعديل. في المرحلة غير المتزامنة من التبادل، يتم استخدام مكدس بروتوكول IP، وتطلب وحدة التحكم بيانات غير مهمة من جميع العقد، والتي ترسل استجابة عند وصولها للإرسال إلى الشبكة. يمكن تعديل النسبة الزمنية بين المرحلتين المتزامنة وغير المتزامنة يدويًا.

روكويل أتمتة إيثرنت / بروتوكول IP

تم تطوير بروتوكول EtherNet/IP بمشاركة نشطة من شركة Rockwell Automation الأمريكية في عام 2000. ويستخدم مكدس TCP وUDP IP، ويوسعه لتطبيقات الأتمتة الصناعية. أما الجزء الثاني من الاسم، خلافًا للاعتقاد السائد، فهو لا يعني بروتوكول الإنترنت، بل البروتوكول الصناعي. يستخدم UDP IP مكدس اتصالات CIP (بروتوكول الواجهة العامة)، والذي يُستخدم أيضًا في شبكات ControlNet/DeviceNet ويتم تنفيذه أعلى TCP/IP.

مواصفات EtherNet/IP متاحة للعامة ومتاحة مجانًا. يمكن أن تكون طوبولوجيا شبكة Ethernet/IP عشوائية وتتضمن حلقة أو نجمة أو شجرة أو ناقل.

بالإضافة إلى الوظائف القياسية لبروتوكولات HTTP وFTP وSMTP وEtherNet/IP، فإنها تنفذ نقل البيانات الحرجة للوقت بين وحدة التحكم في الاستقصاء وأجهزة الإدخال/الإخراج. يتم توفير نقل البيانات غير الحرجة للوقت بواسطة حزم TCP، ويتم تسليم بيانات التحكم الدورية للوقت الحرج عبر بروتوكول UDP. 

لمزامنة الوقت في الأنظمة الموزعة، يستخدم EtherNet/IP بروتوكول CIPsync، وهو امتداد لبروتوكول اتصال CIP.

تمثيل تخطيطي لشبكة Ethernet/IP مع عدة عقد واتصال بأجهزة Modbus. مصدر: www.icpdas.com.tw

لتبسيط إعداد شبكة EtherNet/IP، تأتي معظم أجهزة التشغيل الآلي القياسية مع ملفات تكوين محددة مسبقًا.

تنفيذ بروتوكول FBUS في Fastwel

لقد فكرنا لفترة طويلة فيما إذا كنا سندرج شركة Fastwel الروسية في هذه القائمة من خلال تنفيذها المحلي للبروتوكول الصناعي FBUS، ولكن بعد ذلك قررنا كتابة فقرتين من أجل فهم أفضل لحقائق استبدال الواردات.

هناك نوعان من التطبيقات المادية لـ FBUS. إحداها عبارة عن حافلة يعمل فيها بروتوكول FBUS أعلى معيار RS485. بالإضافة إلى ذلك، هناك تطبيق FBUS في شبكة Ethernet الصناعية.

من الصعب تسمية FBUS ببروتوكول عالي السرعة؛ يعتمد وقت الاستجابة بشدة على عدد وحدات الإدخال/الإخراج في الناقل وعلى معلمات التبادل؛ ويتراوح عادة من 0,5 إلى 10 مللي ثانية. يمكن أن تحتوي العقدة التابعة لـ FBUS على 64 وحدة إدخال/إخراج فقط. بالنسبة لناقل المجال، لا يمكن أن يتجاوز طول الكابل مترًا واحدًا، لذلك نحن لا نتحدث عن الأنظمة الموزعة. أو بالأحرى، يحدث ذلك، ولكن فقط عند استخدام شبكة FBUS صناعية عبر TCP/IP، مما يعني زيادة في وقت الاستقصاء عدة مرات. يمكن استخدام أسلاك تمديد الناقل لتوصيل الوحدات، مما يسمح بوضع الوحدات بشكل مناسب في خزانة التشغيل الآلي.

وحدة تحكم Fastwel مع وحدات الإدخال/الإخراج المتصلة. مصدر: هندسة التحكم روسيا

الإجمالي: كيف يتم استخدام كل هذا عمليًا في أنظمة التحكم الآلي في العمليات

وبطبيعة الحال، فإن تنوع أنواع بروتوكولات نقل البيانات الصناعية الحديثة أكبر بكثير مما وصفناه في هذه المقالة. بعضها مرتبط بشركة مصنعة معينة، وبعضها، على العكس من ذلك، عالمية. عند تطوير أنظمة التحكم الآلي في العمليات (APCS)، يختار المهندس البروتوكولات المثلى، مع مراعاة المهام والقيود المحددة (الفنية والميزانية).

إذا تحدثنا عن مدى انتشار بروتوكول تبادل معين، فيمكننا تقديم رسم تخطيطي للشركة شبكات HMS ABوالذي يوضح الحصص السوقية لتقنيات التبادل المختلفة في الشبكات الصناعية.

المصدر: شبكات HMS AB

كما هو واضح في الرسم البياني، تحتل PRONET وPROFIBUS من شركة Siemens المراكز الرائدة.

ومن المثير للاهتمام أنه قبل 6 سنوات تم احتلال 60% من السوق بواسطة بروتوكولات PROFINET وEthernet/IP.

يحتوي الجدول أدناه على بيانات موجزة عن بروتوكولات التبادل الموضحة. يتم التعبير عن بعض المعلمات، على سبيل المثال، الأداء، بعبارات مجردة: مرتفع / منخفض. يمكن العثور على المعادلات العددية في مقالات تحليل الأداء. 

	EtherCAT	باورلينك	بروفينيت	EtherNet / IP	ModbusTCP
الطبقة المادية	100/1000 بيس-تكس	100/1000 بيس-تكس	100/1000 بيس-تكس	100/1000 بيس-تكس	100/1000 بيس-تكس
مستوى البيانات	القناة (إطارات إيثرنت)	القناة (إطارات إيثرنت)	القناة (إطارات إيثرنت)، الشبكة/النقل (TCP/IP)	الشبكة/النقل (TCP/IP)	الشبكة/النقل (TCP/IP)
الدعم في الوقت الحقيقي	نعم	نعم	نعم	نعم	لا
أداء	Высокая	Высокая	IRT - مرتفع، RT - متوسط	متوسط	منخفض
طول الكابل بين العقد	100m	100 م/2 كم	100m	100m	100m
مراحل النقل	لا	متزامن + غير متزامن	IRT – غير متزامن + غير متزامن، RT – غير متزامن	لا	لا
عدد العقد	65535	240	حدود شبكة TCP/IP	حدود شبكة TCP/IP	حدود شبكة TCP/IP
حل التصادم	طوبولوجيا الحلقة	تزامن الساعة، مراحل الإرسال	طوبولوجيا الحلقة، مراحل الإرسال	المفاتيح، طوبولوجيا النجمة	المفاتيح، طوبولوجيا النجمة
للتبديل السريع	لا	نعم	نعم	نعم	اعتمادا على التنفيذ
تكلفة المعدات	منخفض	منخفض	Высокая	متوسط	منخفض

تتنوع مجالات تطبيق بروتوكولات التبادل الموصوفة والحافلات الميدانية والشبكات الصناعية بشكل كبير. من الصناعات الكيميائية والسيارات إلى تكنولوجيا الطيران وتصنيع الإلكترونيات. هناك طلب على بروتوكولات التبادل عالية السرعة في أنظمة تحديد المواقع في الوقت الفعلي لمختلف الأجهزة وفي الروبوتات.

ما هي البروتوكولات التي عملت بها وأين طبقتها؟ شارك تجربتك في التعليقات. 🙂

المصدر: www.habr.com