Müasir protokolların sənaye avtomatika sistemlərində icmalı

Ötən yayımda biz sənaye avtomatlaşmasında şinlər və protokolların necə işlədiyini izah etdik. Bu dəfə müasir iş həllərinə fokuslanacağıq: dünya üzrə sistemlərdə hansının istifadə olunduğuna baxacağıq. Alman şirkətləri Beckhoff və Siemens, avstriyalı B&R, amerikalı Rockwell Automation və rus Fastwel-in texnologiyalarını nəzərdən keçirəcəyik. Eyni zamanda, konkret istehsalçıya bağlı olmayan EtherCAT və CAN kimi universal həlləri öyrənəcəyik. 

Məqalənin sonunda EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP və ModbusTCP protokollarının xüsusiyyətləri ilə müqayisə cədvəli olacaq.

Biz PRP, HSR, OPC UA və digər protokolları icmalımıza daxil etmədik, çünki bu barədə Habr-da bizim mühəndis həmkarlarımız tərəfindən yazılmış mükəmməl məqalələr var. Məsələn, «Birləşmiş rezervasiya protokolları PRP və HSR» və «Linux-da sənaye protokollarının qapıları. Özünüz yığın».

Əvvəlcə terminologiyanı müəyyənləşdirək: Industrial Ethernet = sənaye şəbəkəsi, Fieldbus = sahə şini. Rusiya sənaye avtomatikasında sahə şini və aşağı səviyyəli sənaye şəbəkəsi ilə bağlı terminlərdə qarışıqlıq olur. Tez-tez bu terminlər «aşağı səviyyə» adlandırılan mücərrəd anlayışda birləşdirilir, bu, həm sahə şini, həm də aşağı səviyyəli şini adlandırıla bilər, baxmayaraq ki, bu, tamamilə şin olmaya da bilər.

Niyə belədir?Belə qarışıqlıq, çoxsaylı müasir nəzarətçilərdə giriş-çıxış modulunun bağlantısının tez-tez birləşdirici panel (ing. backplane) və ya fiziki şin vasitəsilə həyata keçirilməsi ilə bağlıdır. Yəni bir neçə modulu birləşdirmək üçün bəlkə də, müəyyən şin kontakları və konnektorlar istifadə olunur. Amma belə düyünlər, öz növbəsində, həm sənaye şəbəkəsi, həm də sahə şini ilə birləşdirilə bilər. Qərb terminologiyasında dəqiq bir ayrım var: şəbəkə — şəbəkədir, şin — şindir. Birincisi Industrial Ethernet termini ilə, ikincisi isə Fieldbus ilə ifadə olunur. Bu məqalədə bu anlayışlar üçün müvafiq olaraq «sənaye şəbəkəsi» və «sahə şini» terminlərinin istifadəsi təklif olunur.

Sənaye şəbəkəsi EtherCAT, Beckhoff şirkətinin inkişafı

EtherCAT protokolu və sənaye şəbəkəsi, bəlkə də, hazırda avtomatika sistemlərində məlumatların ötürülməsi üçün ən sürətli vasitələrdən biridir. EtherCAT şəbəkəsi, avtomatlaşdırma sistemlərində qarşılıqlı düyünlərin geniş məsafəyə yayılması olan vəziyyətlərdə müvəffəqiyyətlə istifadə edilir.

EtherCAT protokolu, teleqramlarının ötürülməsi üçün standart Ethernet çərçivələrindən istifadə edir, buna görə də hər hansı standart Ethernet avadanlığı ilə uyğunluq saxlanılır və əslində məlumatların qəbul və ötürülməsi istənilən Ethernet nəzarətçisi üzərindən, müvafiq proqram təminatına sahib olduqda, təşkil oluna bilər.

Beckhoff kontrolleri giriş-çıkış modülleri seti ile birlikte. Kaynak: www.beckhoff.de

Protokol spesifikasyonu açık ve erişilebilir, ancak yalnızca EtherCAT Teknoloji Grubu geliştirme derneği çerçevesinde.

EtherCAT böyle çalışıyor (göz alıcı bir gösterim, Zuma Inca oyununa benziyor):

Bu protokoldeki yüksek veri iletim hızı — mikro saniyeler ile ifade edilebilir — geliştiricilerin verileri belirli bir cihaza gönderen telegram iletiminin terkini gerçekleştirmeleri sayesindedir. Bunun yerine, EtherCAT ağına aynı anda tüm cihazlara hitap eden tek bir telegram gönderilir ve her bir alt bilgi toplama ve iletim düğümü (genellikle ÜSYO olarak adlandırılır — nesne ile iletişim aracı) kendisine yönelik verileri 'uçtan uç' alır ve iletimde sağlamak istediği verileri telegram'a ekler. Daha sonra telegram bir sonraki alt düğüme yönlendirilir ve aynı işlem gerçekleştirilir. Tüm ÜSYO'lardan geçtikten sonra, telegram ana kontrolöre geri döner ve alt cihazlardan alınan verilere dayanarak kontrol mantığını uygular, yine alt düğümlerle telegram aracılığıyla etkileşimde bulunarak, yönetim sinyalini ekipmana gönderir.

EtherCAT ağı herhangi bir topolojiyi içerebilir, ancak temelde bu her zaman bir halka olacaktır — tam çift yönlü mod ve iki Ethernet bağlantı noktası kullanımı nedeniyle. Böylece, telegram her zaman veri yolu üzerindeki her bir cihaza ardışık olarak iletilecektir.

Birden fazla düğümlü EtherCAT ağının şematik temsili. Kaynak: realpars.com

Bu arada, EtherCAT spesifikasyonu 100Base-TX fiziksel katmanında kısıtlamalar içermez, bu nedenle protokolün uygulaması gigabit ve optik hatlar üzerinde mümkündür.

Siemens'in açık endüstriyel ağları ve PROFIBUS/NET standartları

Alman şirket Siemens, dünya çapında kullanılan programlanabilir mantık kontrolleri (PLC) ile tanınmaktadır.

Siemens ekipmanını yöneten otomatik sistemler arasındaki veri alışverişi, PROFIBUS adı verilen alan veri yoluyla ve PROFINET endüstriyel ağı üzerinden gerçekleştirilmektedir.

PROFIBUS veri yolu, DB-9 konektörlü özel iki telli kablo kullanır. Siemens'inki mor renkte olsa da, pratikte başka renklerinde de bulduk :). Birkaç düğümün bağlantısı için konektör, iki kabloyu birleştirebilir. Ayrıca, terminal direnci için bir anahtar bulunur. Terminal direnci ağın uç noktalarında etkin olmalıdır, böylece bu ilk veya son cihaz olduğu belirtilir, ondan sonra sadece karanlık ve boşluk vardır (tüm rs485 böyle çalışır). Ara konektörde direnç etkin olursa, ardındaki bölüm devre dışı bırakılır.

PROFIBUS kabeli qoşma başlıqları ilə. Mənbə: VIPA ControlsAmerica

PROFINET şəbəkəsində adətən RJ-45 başlıqları ilə bükülü parça analoqu istifadə olunur, kabel yaşıl rəngdədir. Əgər PROFIBUS topologiyası bussursa, PROFINET şəbəkəsinin topologiyası hər cür ola bilər: istər halqa, istər ulduz, istərsə də ağac, istənilən bir yerdə.

Siemens nəzarət sistemi PROFINET kabeli ilə bağlıdır. Mənbə: w3.siemens.com

PROFIBUS və PROFINET şəbəkələri üçün bir neçə əlaqə protokolu mövcuddur.

PROFIBUS üçün:

1. PROFIBUS DP — bu protokolun həyata keçirilməsi uzaq müştəri cihazları ilə əlaqəni nəzərdə tutur, PROFINET üçün bu protokola PROFINET IO protokolu uyğun gəlir.
2. PROFIBUS PA — əslində PROFIBUS DP-nin özüdür, yalnız məlumatların və enerji gücünün partlayışdan qorunan variantları üçün istifadə olunur (Fiziki xüsusiyyətləri fərqli olan PROFIBUS DP-nin analoqu). PROFINET üçün PROFIBUS-a bənzər partlayışdan qorunan protokol hələ mövcud deyil.
3. PROFIBUS FMS — PROFIBUS DP istifadə edə bilməyən digər istehsal sistemləri ilə məlumat mübadiləsi üçün nəzərdə tutulmuşdur. PROFINET-də PROFIBUS FMS-ə bərabər PROFINET CBA protokolu var.

PROFINET üçün:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

PROFINET IO protokolu bir neçə sinfə bölünür:

• PROFINET NRT (realdan kənar) — zaman parametrlərinin tənzimlənməsinin kritik olmadığı tətbiqlərdə istifadə olunur. Ethernet TCP/IP, həmçinin UDP/IP məlumat ötürmə protokolu ilə istifadə olunur.
• PROFINET RT (reallıq) — burada giriş/çıxış məlumatlarının mübadiləsi Ethernet çərçivələri vasitəsilə həyata keçirilir, lakin diaqnostik məlumatlar və əlaqə məlumatları hələ də UDP/IP vasitəsilə ötürülür. 
• PROFINET IRT (izoxron reallıq) — bu protokol xüsusilə hərəkət idarəetmə tətbiqləri üçün hazırlanmışdır və izoxron məlumat ötürmə mərhələsini əhatə edir.

PROFINET IRT-nin sərt reallıq protokolunun icrası üzrə, uzaq cihazlarla əlaqələrdə iki mübadilə kanalı var: izoxron və asinxron. İzoxron kanalının orta dövrü mübadilə müddətini təyin edir və zamanla kritik olan məlumatların ötürülməsi üçün istifadə olunur, ikinci səviyyə telegramları ilə informasiya ötürülür. İzoxron kanalda ötürmə müddəti 1 millisekunddan çox olmur.

Asinxron kanalda, MAC ünvanı vasitəsilə yönləndirilən, real vaxt məlumatları əldə edilir. Həmçinin TCP/IP üstündə müxtəlif diaqnostika və yardım məlumatları ötürülür. Heç bir real vaxt məlumatı, ya da digər məlumatlar izoxron dövrünü pozmaya bilməz.

PROFINET IO-nun genişləndirilmiş funksiyalar dəsti hər industrial avtomatika sisteminə lazım deyil, buna görə də bu protokol konkret layihəyə uyğunlaşdırılır və uyğunluq sinifləri və ya tətbiq sinifləri (conformance classes) nəzərə alınır: CC-A, CC-B, CC-CC. Uyğunluq sinifləri minimum tələb olunan funksionallığa malik olan sahə cihazları və magistral komponentləri seçməyə imkan verir. 

Mənbə: PROFINET universitet dərsi

PROFINET şəbəkəsində ikinci mübadilə protokolu - PROFINET CBA - müxtəlif istehsalçıların avadanlıqları arasında industrial əlaqəni təşkil etmək üçün xidmət edir. SVA sistemlərində əsas istehsal vahidi komponent adlanan müəyyən bir varlıqdır. Bu komponent adətən avadanlığın və ya quraşdırmanın mexaniki, elektrik və elektron hissələrinin birləşməsini, eləcə də müvafiq tətbiq proqram təminatını təmsil edir. Hər komponent üçün PROFINET standartı tələblərinə uyğun olaraq interfeys tam təsvirini ehtiva edən proqram modulu seçilir. Daha sonra bu proqram modulları cihazlarla məlumat mübadiləsi üçün istifadə olunur. 

B&R şirkətinin Ethernet POWERLINK protokolu

Powerlink protokolu Avstriya şirkəti B&R tərəfindən 2000-ci illərin əvvəlində hazırlanmışdır. Bu, Ethernet standartı üzərində reallaşdırılan real vaxt protokolunun bir daha təcəssümüdür. Protokol spesifikasiyası əlçatan və sərbəst yayılır. 

Powerlink texnologiyasında, cihazlar arasında olan bütün qarşılıqlı əlaqə bir neçə mərhələyə bölünərək məqsədli sorğu mexanizmi tətbiq olunur. Xüsusilə kritik məlumatlar tətbiqi ehtiyaclarına uyğun müəyyən olunan cavab müddəti ilə izoxron mübadilə mərhələsində ötürülür, qalan məlumatlar isə mümkün olduqda asinxron mərhələdə keçiriləcək.

B&R-nin giriş-çıxış modulları ilə kontroler. Mənbə: br-automation.com

İlk öncə protokol 100Base-TX fiziki səviyyəsi üzərində həyata keçirilib, lakin daha sonra gigabit versiyası da hazırlanmışdır.

Powerlink protokolunda mübadiləni planlaşdırma mexanizmi istifadə olunur. Şəbəkəyə müəyyən bir işarə və ya idarəetmə mesajı göndərilir, bununla da hansı cihazın hal-hazırda məlumat mübadiləsi üçün icazəsi olduğu müəyyən edilir. Hər bir anda mübadiləyə yalnız bir cihaz erişim imkanı əldə edə bilər.

Bir neçə düyünlü Ethernet POWERLINK şəbəkəsinin sxematik təsviri.

İzoxron mərhələsində sorğu edən kontroler kritik məlumatları əldə etmək üçün hər düyünə ardıcıl olaraq sorğu göndərir. 

İzokron fazı, daha önce belirtildiği gibi, ayarlanabilir döngü süresi ile gerçekleştirilir. Asenkron veri alışverişi fazında, IP protokolü yığını kullanılır; denetleyici, tüm nodlardan kritik olmayan verileri talep eder ve bu nodlar ağına erişim sağladıkça yanıt gönderir. İzokron ve asenkron fazlar arasındaki zaman oranı manuel olarak ayarlanabilir.

Rockwell Automation'ın Ethernet/IP Protokolü

EtherNet/IP protokolü, 2000 yılında Amerikan şirketi Rockwell Automation tarafından aktif katılımla geliştirilmiştir. TCP ve UDP IP yığını kullanır ve bunu endüstriyel otomasyon uygulamaları için genişletir. İkinci bölüm adı, yaygın yanlış anlamaların aksine, Internet Protokolü değil, Endüstriyel Protokolü anlamına gelir. UDP IP, ControlNet / DeviceNet ağlarında da kullanılan CIP (Common Interface Protocol) protokol yığını ile iletişim kurar ve TCP/IP üzerine uygulanır.

EtherNet/IP spesifikasyonu, kamuya açıktır ve ücretsiz olarak dağıtılmaktadır. Ethernet/IP ağı topolojisi rastgele olabilir ve halka, yıldız, ağaç veya omurga içerebilir.

HTTP, FTP, SMTP protokollerinin standart işlevlerine ek olarak, EtherNet/IP, sorgulayıcı denetleyici ile girdi/çıktı cihazları arasında zaman kritik veri iletimini gerçekleştirir. Zaman kritik olmayan veri iletimi TCP paketleri ile sağlanırken, döngüsel kontrol verilerinin zaman kritik iletimi UDP protokolü üzerinden yapılmaktadır. 

EtherNet/IP, dağıtılmış sistemlerde zaman senkronizasyonu için CIPsync protokolünü kullanır; bu, CIP iletişim protokolünün bir genişletmesidir.

Birden fazla nod ve Modbus cihazlarının bağlantısını gösteren Ethernet/IP ağına ait şematik resim. Kaynak: www.icpdas.com.tw

EtherNet/IP ağının ayarlarını kolaylaştırmak için, çoğu standart otomasyon cihazı önceden tanımlanmış konfigürasyon dosyaları ile birlikte gelir.

Fastwel'de FBUS protokolünün uygulanması

Bu listeye, yerli FBUS endüstriyel protokolü ile Fastwel'i dahil edip etmeme konusunda uzun düşündük, ancak ithalat ikamesi gerçeklerini daha iyi anlamak için birkaç paragraf yazmaya karar verdik.

FBUS'un iki fiziksel uygulanışı vardır. Bunlardan biri, FBUS protokolünün RS485 standardı üzerinde çalıştığı bir omurgadır. Ayrıca, Ethernet endüstriyel ağında FBUS'un uygulanışı da bulunmaktadır.

FBUS sürətli işləyən protokol kimi tanınmır, cavab müddəti giriş-çıxış modullarının sayından və mübadilə parametrlərindən asılı olaraq dəyişir, adətən 0.5-10 millisekund arasında olur. Bir FBUS nəzarətçisi yalnız 64 giriş-çıxış modulunu ehtiva edə bilər. Sahə şinində kabelin uzunluğu 1 metrdən çox olmamalıdır, buna görə paylanmış sistemlərdən danışmaq mümkün deyil. Düzdür, təhlükəsiz şəbəkə FBUS-un TCP/IP üzərində istifadəsi halında bu mümkündür, bu isə sorğulama müddətini bir neçə dəfə artırır. Modulları birləşdirmək üçün uzatma şinləri istifadə edilə bilər, bu da modulları avtomatlaşdırma kabinetində rahat yerləşdirməyə imkan tanıyır.

Fastwel nəzarətçisi ilə birləşdirilmiş giriş-çıxış modulları. Mənbə: Control Engineering Rusiya

Ümumilikdə: bütün bunlar istehsalat avtomatlaşdırılmasında necə istifadə olunur

Təbii ki, bu məqalədə təsvir etdiyimiz müasir sənaye məlumat mübadiləsi protokollarının çeşidi çox daha genişdir. Bəziləri spesifik istehsalçılara bağlıdır, digərləri isə əksinə, universal tətbiq olunur. Avtomatlaşdırılmış texnologiya prosesi idarəetmə sistemlərini (İTP) hazırlayarkən mühəndis spesifik tapşırıqlı və məhdudiyyətləri (texniki və büdcə) nəzərə alaraq optimal protokolları seçir.

Müxtəlif mübadilə protokollarının yayılmasına gəldikdə, o zaman HMS Networks ABşirkətinin bir diaqramını təqdim edə bilərik ki, bu da sənaye şəbəkələrində müxtəlif mübadilə texnologiyalarının bazar iştirakını göstərir.

Mənbə: HMS Networks AB

Diaqramdan aydın olduğu kimi, Siemens-dən PROFINET və PROFIBUS lider mövqelərdədir.

Qeyd edək ki, 6 il əvvəl PROFINET və Ethernet/IP protokolları bazarın 60%-ni təşkil edirdi..

Aşağıdakı cədvəldə təsvir edilmiş mübadilə protokolları üzrə toplanmış məlumatlar təqdim olunur. Bəzi parametrlər, məsələn, performans abstrakt anlayışlarla ifadə edilir: yüksək / aşağı. Rəqəmsal ekvivalentləri performans analiz məqalələrində tapmaq mümkündür. 

Təsvir edilən mübadilə protokollarının, sahə avadanlıqlarının və sənaye şəbəkələrinin tətbiq sahələri çox fərqlidir. Kimya və avtomobil sənayesindən başlayaraq, habelə aerokosmik texnologiyalar və elektronika istehsalına qədər genişdir. Real vaxtda müxtəlif cihazların pozisiyasını müəyyənləşdirmək və robototexnika sistemlərində sürətli mübadilə protokollarına tələbat var.

Siz hansı protokollardan istifadə etmisiniz və harada tətbiq etmisiniz? Təcrübənizi şərhlərdə paylaşın. 🙂

Mənbə: habr.com