sənaye avtomatlaşdırmasında avtobusların və protokolların necə işlədiyindən danışdıq. Bu dəfə biz müasir iş həllərinə diqqət yetirəcəyik: bütün dünyada sistemlərdə hansı protokollardan istifadə edildiyinə baxacağıq. Alman şirkətləri Beckhoff və Siemens, Avstriya B&R, Amerika Rockwell Automation və Rus Fastwel texnologiyalarını nəzərdən keçirək. Biz həmçinin EtherCAT və CAN kimi konkret istehsalçıya bağlı olmayan universal həlləri öyrənəcəyik.
Məqalənin sonunda EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP və ModbusTCP protokollarının xüsusiyyətləri ilə müqayisə cədvəli olacaq.
PRP, HSR, OPC UA və digər protokolları nəzərdən keçirmədik, çünki Sənaye avtomatlaşdırma sistemlərini inkişaf etdirən mühəndis yoldaşlarımızın Habré haqqında onlar haqqında əla məqalələri var. Misal üçün, и .
Əvvəlcə terminologiyanı müəyyən edək: Industrial Ethernet = sənaye şəbəkəsi, Fieldbus = sahə avtobusu. Rusiya sənaye avtomatlaşdırmasında, sahə avtobusu və aşağı səviyyəli sənaye şəbəkəsi ilə əlaqəli şərtlərdə qarışıqlıq var. Çox vaxt bu terminlər "aşağı səviyyə" adlanan vahid, qeyri-müəyyən bir konsepsiyada birləşdirilir, bu, ümumiyyətlə avtobus olmaya bilər, baxmayaraq ki, həm fieldbus, həm də alt səviyyəli avtobus kimi istinad edilir.
Niyə belədir?Bu çaşqınlıq çox güman ki, bir çox müasir kontrollerlərdə giriş/çıxış modullarının əlaqəsinin tez-tez arxa paneldən və ya fiziki avtobusdan istifadə etməklə həyata keçirilməsi ilə əlaqədardır. Yəni, bir neçə modulu bir vahiddə birləşdirmək üçün müəyyən avtobus kontaktları və bağlayıcılar istifadə olunur. Lakin bu cür qovşaqlar, öz növbəsində, həm sənaye şəbəkəsi, həm də sahə avtobusu ilə birləşdirilə bilər. Qərb terminologiyasında aydın bölgü var: şəbəkə şəbəkədir, avtobus avtobusdur. Birincisi Industrial Ethernet termini ilə, ikincisi Fieldbus tərəfindən təyin edilmişdir. Məqalədə bu anlayışlar üçün müvafiq olaraq “sənaye şəbəkəsi” və “sahə avtobusu” terminindən istifadə edilməsi təklif edilir.
Beckhoff tərəfindən hazırlanmış EtherCAT sənaye şəbəkəsi standartı
EtherCAT protokolu və sənaye şəbəkəsi bu gün avtomatlaşdırma sistemlərində məlumatların ötürülməsinin ən sürətli üsullarından biridir. EtherCAT şəbəkəsi qarşılıqlı əlaqədə olan qovşaqların uzun məsafələrdə ayrıldığı paylanmış avtomatlaşdırma sistemlərində uğurla istifadə olunur.
EtherCAT protokolu teleqramlarını ötürmək üçün standart Ethernet çərçivələrindən istifadə edir, ona görə də o, istənilən standart Ethernet avadanlığı ilə uyğun olaraq qalır və faktiki olaraq, müvafiq proqram təminatı mövcud olduqda, məlumatların qəbulu və ötürülməsi istənilən Ethernet nəzarətçisində təşkil edilə bilər.
Giriş/çıxış modulları dəsti ilə Beckhoff nəzarətçisi. Mənbə:
Protokol spesifikasiyası açıqdır və mövcuddur, lakin yalnız inkişaf birliyi - EtherCAT Technology Group çərçivəsində.
EtherCAT necə işləyir (tamaşa Zuma Inca oyunu kimi valehedicidir):
Bu protokolda yüksək mübadilə sürəti - və biz mikrosaniyə vahidləri haqqında danışmaq olar - tərtibatçıların birbaşa müəyyən bir cihaza göndərilən teleqramlardan istifadə edərək mübadilə etməkdən imtina etməsi səbəbindən həyata keçirilir. Bunun əvəzinə, EtherCAT şəbəkəsinə eyni anda bütün cihazlara ünvanlanan bir teleqram göndərilir, məlumat toplamaq və ötürmək üçün kölə qovşaqların hər biri (onlara tez-tez OSO - obyekt rabitə cihazı deyilir) ondan "tez" alır. onun üçün nəzərdə tutulmuş məlumatları və mübadilə üçün təqdim etməyə hazır olduğunu teleqrama daxil edir. Sonra teleqram eyni əməliyyatın baş verdiyi növbəti qul qovşağına göndərilir. Bütün idarəetmə cihazlarından keçdikdən sonra teleqram qul qurğularından alınan məlumatlar əsasında idarəetmə məntiqini həyata keçirən əsas nəzarətçiyə qaytarılır, yenidən teleqram vasitəsilə nəzarət siqnalı verən kölə qovşaqları ilə qarşılıqlı əlaqədə olur. avadanlıq.
EtherCAT şəbəkəsi istənilən topologiyaya malik ola bilər, lakin mahiyyət etibarilə o, həmişə üzük olacaq - tam dupleks rejimi və iki Ethernet konnektorunun istifadəsi sayəsində. Beləliklə, teleqram həmişə avtobusdakı hər bir cihaza ardıcıl olaraq ötürüləcək.
Çoxlu qovşaqlı Ethercat şəbəkəsinin sxematik təsviri. Mənbə:
Yeri gəlmişkən, EtherCAT spesifikasiyasında 100Base-TX fiziki təbəqəsi üçün məhdudiyyətlər yoxdur, ona görə də protokolun həyata keçirilməsi gigabit və optik xətlər əsasında mümkündür.
Siemens-dən açıq sənaye şəbəkələri və PROFIBUS/NET standartları
Alman konserni Siemens uzun müddətdir ki, bütün dünyada istifadə olunan proqramlaşdırıla bilən məntiq nəzarətçiləri (PLC) ilə tanınır.
Siemens avadanlığı ilə idarə olunan avtomatlaşdırılmış sistemin qovşaqları arasında məlumat mübadiləsi həm PROFIBUS adlı sahə avtobusu vasitəsilə, həm də PROFINET sənaye şəbəkəsində həyata keçirilir.
PROFIBUS avtobusu DB-9 konnektorları olan xüsusi iki nüvəli kabeldən istifadə edir. Siemensdə bənövşəyi rəngdə var, amma praktikada başqalarını görmüşük :). Çoxlu qovşaqları birləşdirmək üçün konnektor iki kabeli birləşdirə bilər. Ayrıca terminal rezistoru üçün bir keçid var. Şəbəkənin son cihazlarında terminal rezistoru açılmalıdır, beləliklə bunun ilk və ya sonuncu cihaz olduğunu göstərir və ondan sonra heç bir şey yoxdur, yalnız qaranlıq və boşluq var (bütün rs485-lər belə işləyir). Aralıq bağlayıcıda bir rezistoru yandırsanız, ondan sonrakı bölmə söndürüləcək.
Birləşdirici bağlayıcılarla PROFIBUS kabeli. Mənbə:
PROFINET şəbəkəsi analoq bükülmüş cüt kabeldən istifadə edir, adətən RJ-45 konnektorları ilə kabel yaşıl rəngdədir. Əgər PROFIBUS-un topologiyası şindirsə, o zaman PROFINET şəbəkəsinin topologiyası hər hansı bir şey ola bilər: üzük, ulduz, ağac və ya birləşdirilmiş hər şey.
Birləşdirilmiş PROFINET kabeli ilə Siemens nəzarətçi. Mənbə: w3.siemens.com
PROFIBUS avtobusunda və PROFINET şəbəkəsində bir neçə rabitə protokolu mövcuddur.
PROFIBUS üçün:
- PROFIBUS DP - bu protokolun həyata keçirilməsi uzaqdan idarəedici qurğularla əlaqəni nəzərdə tutur; PROFINET vəziyyətində bu protokol PROFINET IO protokoluna uyğundur.
- PROFIBUS PA mahiyyətcə PROFIBUS DP ilə eynidir, yalnız məlumat ötürülməsi və enerji təchizatının partlayışa davamlı versiyaları üçün istifadə olunur (müxtəlif fiziki xüsusiyyətlərə malik PROFIBUS DP-nin analoqu). PROFINET üçün PROFIBUS-a bənzər partlayışa davamlı protokol hələ mövcud deyil.
- PROFIBUS FMS - PROFIBUS DP-dən istifadə edə bilməyən digər istehsalçıların sistemləri ilə məlumat mübadiləsi üçün nəzərdə tutulmuşdur. PROFINET şəbəkəsindəki PROFIBUS FMS analoqu PROFINET CBA protokoludur.
PROFINET üçün:
- PROFINET IO;
- PROFINET AMB.
PROFINET IO protokolu bir neçə sinfə bölünür:
- PROFINET NRT (qeyri-real vaxt) - vaxt parametrlərinin kritik olmadığı tətbiqlərdə istifadə olunur. O, Ethernet TCP/IP məlumat ötürmə protokolundan, həmçinin UDP/IP protokolundan istifadə edir.
- PROFINET RT (real vaxt) - burada I/O məlumat mübadiləsi Ethernet çərçivələrindən istifadə etməklə həyata keçirilir, lakin diaqnostika və rabitə məlumatları hələ də UDP/IP vasitəsilə ötürülür.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Bu protokol xüsusi olaraq hərəkətə nəzarət proqramları üçün hazırlanmışdır və izoxron məlumat ötürmə mərhələsini ehtiva edir.
PROFINET IRT çətin real vaxt protokolunun həyata keçirilməsinə gəldikdə, uzaq cihazlarla əlaqə üçün o, iki mübadilə kanalını fərqləndirir: izoxron və asinxron. Sabit mübadilə dövrü uzunluğuna malik izoxron kanal saat sinxronizasiyasından istifadə edir və kritik vaxt məlumatlarını ötürür; ötürülmə üçün ikinci səviyyəli teleqramlardan istifadə olunur. İzoxron kanalda ötürmə müddəti 1 millisaniyədən çox deyil.
Asinxron kanal real vaxt deyilən məlumatları ötürür, bu da MAC ünvanı vasitəsilə ünvanlanır. Bundan əlavə, müxtəlif diaqnostik və köməkçi məlumatlar TCP/IP üzərindən ötürülür. Nə real vaxt məlumatları, nə də digər məlumatlar, əlbəttə ki, izoxron dövrü kəsə bilməz.
PROFINET IO funksiyalarının genişləndirilmiş dəsti hər bir sənaye avtomatlaşdırma sistemi üçün lazım deyil, ona görə də bu protokol uyğunluq sinifləri və ya uyğunluq sinifləri nəzərə alınmaqla xüsusi layihə üçün miqyaslanır: CC-A, CC-B, CC-CC. Uyğunluq sinifləri minimum tələb olunan funksionallıqla sahə cihazlarını və magistral komponentləri seçməyə imkan verir.
Mənbə:
PROFINET şəbəkəsində ikinci mübadilə protokolu - PROFINET CBA - müxtəlif istehsalçıların avadanlıqları arasında sənaye rabitəsini təşkil etmək üçün istifadə olunur. BMS sistemlərində əsas istehsal vahidi komponent adlanan müəyyən bir qurumdur. Bu komponent adətən cihazın və ya quraşdırmanın mexaniki, elektrik və elektron hissələrinin, eləcə də əlaqəli proqram təminatının məcmusudur. Hər bir komponent üçün PROFINET standartının tələblərinə uyğun olaraq bu komponentin interfeysinin tam təsvirini ehtiva edən proqram modulu seçilir. Bundan sonra bu proqram modulları cihazlarla məlumat mübadiləsi üçün istifadə olunur.
B&R Ethernet POWERLINK protokolu
Powerlink protokolu 2000-ci illərin əvvəllərində Avstriyanın B&R şirkəti tərəfindən hazırlanmışdır. Bu, Ethernet standartı üzərində real vaxt protokolunun başqa bir tətbiqidir. Protokol spesifikasiyası mövcuddur və sərbəst şəkildə paylanır.
Powerlink texnologiyası cihazlar arasında bütün qarşılıqlı əlaqə bir neçə mərhələyə bölündüyü zaman qarışıq səsvermə mexanizmindən istifadə edir. Xüsusilə kritik məlumatlar izoxron mübadilə mərhələsində ötürülür, bunun üçün tələb olunan cavab müddəti konfiqurasiya edilir; qalan məlumatlar, mümkün olduqda, asinxron fazada ötürüləcəkdir.
I/O modulları dəsti ilə B&R nəzarətçisi. Mənbə: br-automation.com
Protokol əvvəlcə 100Base-TX fiziki qatının üstündə tətbiq olundu, lakin sonradan gigabit tətbiqi hazırlanmışdır.
Powerlink protokolu rabitə planlaşdırma mexanizmindən istifadə edir. Şəbəkəyə müəyyən bir marker və ya nəzarət mesajı göndərilir, onun köməyi ilə hazırda cihazlardan hansının məlumat mübadiləsinə icazəsi olduğu müəyyən edilir. Bir anda yalnız bir cihaz mübadilə edə bilər.
Çoxlu qovşaqlı Ethernet POWERLINK şəbəkəsinin sxematik təsviri.
İzoxron mərhələdə sorğu nəzarətçisi ardıcıl olaraq kritik məlumatları qəbul etməli olduğu hər bir node üçün sorğu göndərir.
İzoxron faza, artıq qeyd edildiyi kimi, tənzimlənən dövr müddəti ilə həyata keçirilir. Mübadilənin asinxron mərhələsində İP protokol yığını istifadə olunur, nəzarətçi bütün qovşaqlardan kritik olmayan məlumatları tələb edir, onlar şəbəkəyə ötürmək üçün giriş əldə etdikcə cavab göndərirlər. İzoxron və asinxron fazalar arasındakı vaxt nisbəti əl ilə tənzimlənə bilər.
Rockwell Automation Ethernet/IP Protokolu
EtherNet/IP protokolu 2000-ci ildə Amerikanın Rockwell Automation şirkətinin fəal iştirakı ilə hazırlanmışdır. O, TCP və UDP IP yığınından istifadə edir və onu sənaye avtomatlaşdırma proqramları üçün genişləndirir. Adın ikinci hissəsi, məşhur inancın əksinə olaraq, İnternet Protokolu deyil, Sənaye Protokolu deməkdir. UDP IP, ControlNet/DeviceNet şəbəkələrində də istifadə olunan və TCP/IP üzərində həyata keçirilən CIP (Ümumi İnterfeys Protokolu) rabitə yığınından istifadə edir.
EtherNet/IP spesifikasiyası ictimaiyyətə açıqdır və sərbəst şəkildə mövcuddur. Ethernet/IP şəbəkə topologiyası ixtiyari ola bilər və üzük, ulduz, ağac və ya avtobusu əhatə edə bilər.
HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokollarının standart funksiyalarına əlavə olaraq, sorğu nəzarətçisi və I/O cihazları arasında kritik vaxt məlumatlarının ötürülməsini həyata keçirir. Qeyri-kritik məlumatların ötürülməsi TCP paketləri tərəfindən təmin edilir və dövri nəzarət məlumatlarının zaman baxımından kritik çatdırılması UDP protokolu vasitəsilə həyata keçirilir.
Paylanmış sistemlərdə vaxtı sinxronlaşdırmaq üçün EtherNet/IP CIP rabitə protokolunun genişləndirilməsi olan CIPsync protokolundan istifadə edir.
Bir neçə qovşaq və Modbus cihazlarının qoşulması ilə Ethernet/IP şəbəkəsinin sxematik təsviri. Mənbə:
EtherNet/IP şəbəkəsinin qurulmasını sadələşdirmək üçün əksər standart avtomatlaşdırma cihazları əvvəlcədən təyin edilmiş konfiqurasiya faylları ilə gəlir.
Fastwel-də FBUS protokolunun tətbiqi
Biz uzun müddət FBUS sənaye protokolunun yerli tətbiqi ilə Rusiyanın Fastwel şirkətini bu siyahıya daxil edib-etməməyi düşündük, lakin sonra idxalın əvəzlənməsinin reallıqlarını daha yaxşı başa düşmək üçün bir neçə bənd yazmaq qərarına gəldik.
FBUS-un iki fiziki tətbiqi var. Onlardan biri FBUS protokolunun RS485 standartının üstündə işlədiyi avtobusdur. Bundan əlavə, sənaye Ethernet şəbəkəsində FBUS-un tətbiqi mövcuddur.
FBUS-u çətin ki, yüksək sürətli protokol adlandırmaq olar; cavab müddəti avtobusdakı I/O modullarının sayından və mübadilə parametrlərindən çox asılıdır; adətən 0,5 ilə 10 millisaniyə arasında dəyişir. Bir FBUS kölə node yalnız 64 I/O modulunu ehtiva edə bilər. Fieldbus üçün kabel uzunluğu 1 metrdən çox ola bilməz, buna görə də paylanmış sistemlərdən danışmırıq. Daha doğrusu, bunu edir, ancaq TCP/IP üzərindən sənaye FBUS şəbəkəsindən istifadə edərkən, bu, səsvermə vaxtının bir neçə dəfə artması deməkdir. Avtomatik şkafda modulların rahat yerləşdirilməsinə imkan verən modulları birləşdirmək üçün avtobus uzatma kabellərindən istifadə edilə bilər.
Qoşulmuş I/O modulları ilə Fastwel nəzarətçisi. Mənbə:
Cəmi: bütün bunların avtomatlaşdırılmış proseslərə nəzarət sistemlərində praktikada necə istifadə edilməsi
Təbii ki, müasir sənaye məlumat ötürmə protokollarının növlərinin müxtəlifliyi bu məqalədə təsvir etdiyimizdən qat-qat çoxdur. Bəziləri müəyyən bir istehsalçıya bağlıdır, bəziləri, əksinə, universaldır. Avtomatlaşdırılmış prosesə nəzarət sistemlərini (APCS) inkişaf etdirərkən mühəndis konkret tapşırıqları və məhdudiyyətləri (texniki və büdcə) nəzərə alaraq optimal protokolları seçir.
Müəyyən bir mübadilə protokolunun yayılması haqqında danışsaq, şirkətin diaqramını təqdim edə bilərik HMS Networks AB, sənaye şəbəkələrində müxtəlif mübadilə texnologiyalarının bazar paylarını göstərir.
Mənbə:
Diaqramdan göründüyü kimi, Siemens-dən PRONET və PROFIBUS lider mövqeləri tutur.
Maraqlıdır ki, 6 il əvvəl .
Aşağıdakı cədvəldə təsvir olunan mübadilə protokolları üzrə ümumi məlumat var. Bəzi parametrlər, məsələn, performans, mücərrəd şərtlərlə ifadə edilir: yüksək / aşağı. Rəqəmsal ekvivalentlər performans təhlili məqalələrində tapıla bilər.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
TƏKLİF
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fiziki təbəqə
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Məlumat səviyyəsi
|
Kanal (Ethernet çərçivələri)
|
Kanal (Ethernet çərçivələri)
|
Kanal (Ethernet çərçivələri), Şəbəkə/nəqliyyat (TCP/IP)
|
Şəbəkə/Nəqliyyat (TCP/IP)
|
Şəbəkə/Nəqliyyat (TCP/IP)
|
|
Real vaxt dəstəyi
|
Bəli
|
Bəli
|
Bəli
|
Bəli
|
Heç bir
|
|
Məhsuldarlıq
|
Yüksək
|
Yüksək
|
IRT - yüksək, RT - orta
|
Orta
|
Aşağı
|
|
Düyünlər arasında kabel uzunluğu
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Transfer mərhələləri
|
Heç bir
|
İzoxron + asinxron
|
IRT – izoxron + asinxron, RT – asinxron
|
Heç bir
|
Heç bir
|
|
Düyünlərin sayı
|
65535
|
240
|
TCP/IP Şəbəkə Məhdudiyyəti
|
TCP/IP Şəbəkə Məhdudiyyəti
|
TCP/IP Şəbəkə Məhdudiyyəti
|
|
Toqquşma həlli
|
Halqa topologiyası
|
Saat sinxronizasiyası, ötürmə mərhələləri
|
Halqa topologiyası, ötürülmə fazaları
|
Keçidlər, ulduz topologiyası
|
Keçidlər, ulduz topologiyası
|
|
İsti svop
|
Heç bir
|
Bəli
|
Bəli
|
Bəli
|
Həyata keçirilməsindən asılı olaraq
|
|
Avadanlıqların dəyəri
|
Aşağı
|
Aşağı
|
Yüksək
|
Orta
|
Aşağı
|
Təsvir edilən mübadilə protokollarının, fieldbusların və sənaye şəbəkələrinin tətbiq sahələri çox müxtəlifdir. Kimya və avtomobil sənayesindən aerokosmik texnologiya və elektronika istehsalına qədər. Yüksək sürətli mübadilə protokolları müxtəlif cihazlar üçün real vaxt rejimində yerləşdirmə sistemlərində və robot texnikasında tələb olunur.
Hansı protokollarla işlədiniz və onları harada tətbiq etmisiniz? Təcrübənizi şərhlərdə paylaşın. 🙂
Mənbə: www.habr.com