мы расказалі аб тым, як працуюць шыны і пратаколы ў прамысловай аўтаматызацыі. На гэты раз сфакусуемся на сучасных працоўных рашэннях: паглядзім, якія пратаколы выкарыстоўваюцца ў сістэмах па ўсім свеце. Разгледзім тэхналогіі нямецкіх кампаній Beckhoff і Siemens, аўстрыйскай B&R, амерыканскай Rockwell Automation і рускай Fastwel. А таксама вывучым універсальныя рашэнні, якія не прывязаны да канкрэтнага вытворцы, такія як EtherCAT і CAN.
У канцы артыкула будзе параўнальная табліца з характарыстыкамі пратаколаў EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP і ModbusTCP.
Мы не ўключалі ў агляд пратаколы PRP, HSR, OPC UA і іншыя, т.я. па іх на Хабре ўжо ёсць выдатныя артыкулы нашых калег-інжынераў, якія займаюцца распрацоўкай сістэм прамаўтаматыкі. Напрыклад, и .
Для пачатку вызначым тэрміналогію: Industrial Ethernet = прамысловая сетка, Fieldbus = палявая шына. У расійскай прамысловай аўтаматыцы здараецца блытаніна ў тэрмінах, якія датычацца палявой шыны і прамысловай сеткі ніжняга ўзроўню. Часта гэтыя тэрміны аб'ядноўваюцца ў адзінае расплывістае паняцце "ніжні ўзровень", які называецца і палявой шынай, і шынай ніжняга ўзроўню, хоць гэта можа быць і не шына зусім.
Чаму так?Такая блытаніна, хутчэй за ўсё злучана з тым, што ў шматлікіх сучасных кантролерах злучэнне модуляў уводу-высновы часта рэалізуецца з дапамогай аб'яднальнай панэлі (ангел. backplane) ці фізічнай шыны. Гэта значыць выкарыстоўваюцца нейкія шынныя кантакты і злучальнікі, каб аб'яднаць некалькі модуляў у адзіны вузел. Але такія вузлы, у сваю чаргу, могуць быць злучаны паміж сабой як прамысловай сеткай, так і палявой шынай. У заходняй тэрміналогіі ёсць выразны падзел: сетка - гэта сетка, шына - гэта шына. Першае пазначаецца тэрмінам Industrial Ethernet, другое - Fieldbus. У артыкуле для гэтых паняццяў прапануецца выкарыстоўвацца тэрмін "прамысловая сетка" і тэрмін "палявая шына" адпаведна.
Стандарт прамысловай сеткі EtherCAT, распрацоўка кампаніі Beckhoff
Пратакол і прамысловая сетка EtherCAT – гэта, мабыць, адзін з самых хуткадзейных на сёння спосабаў перадачы дадзеных у сістэмах аўтаматыкі. Сетка EtherCAT паспяхова выкарыстоўваецца ў размеркаваных сістэмах аўтаматызацыі, дзе ўзаемадзейнічаюць вузлы разнесены на вялікую адлегласць.
Пратакол EtherCAT выкарыстоўвае стандартныя Ethernet-фрэймы для перадачы сваіх тэлеграм, таму захоўваецца сумяшчальнасць з любым стандартным Ethernet-абсталяваннем і, па сутнасці, прыём і перадача даных могуць быць арганізаваны на любым Ethernet-кантролеры, пры наяўнасці адпаведнага праграмнага забеспячэння.
Кантролер Beckhoff з наборам модуляў уводу-высновы. Крыніца:
Спецыфікацыя пратакола адкрыта і даступная, але толькі ў рамках асацыяцыі распрацоўкі - EtherCAT Technology Group.
Вось, як працуе EtherCAT (відовішча зачароўвае, як гульня Zuma Inca):
Высокая хуткасць абмену ў гэтым пратаколе -а гаворка можа ісці аб адзінках мікрасекунд- рэалізавана дзякуючы таму, што распрацоўшчыкі адмовіліся ад абмену з дапамогай тэлеграм, якія пасылаюцца непасрэдна канкрэтнай прыладзе. Замест гэтага ў сетку EtherCAT накіроўваецца адна тэлеграма, адрасаваная ўсім прыладам адначасова, кожны з падпарадкаваных вузлоў збору і перадачы інфармацыі (іх яшчэ часта завуць УСО – прылада сувязі з аб'ектам) забірае з яе "на лёце" тыя дадзеныя, якія прызначаліся яму, і ўстаўляе у тэлеграму дадзеныя, які ён гатовы даць для абмену. Пасля гэтага тэлеграма адпраўляецца наступнаму падпарадкаванаму вузлу, дзе адбываецца тая ж аперацыя. Прайшоўшы ўсе УСО, тэлеграма вяртаецца галоўнаму кантролеру, які на аснове атрыманых ад падпарадкаваных прылад дадзеных, рэалізуе логіку кіравання, ізноў жа ўзаемадзейнічаючы пасродкам тэлеграмы з падпарадкаванымі вузламі, якія выдаюць кіравальны сігнал на абсталяванне.
Сетка EtherCAT можа мець любую тапалогію, але па сутнасці гэта заўсёды будзе кольца – з-за выкарыстання поўнадуплекснага рэжыму і двух раздымаў Ethernet. Такім чынам, тэлеграма заўсёды будзе перадавацца паслядоўна кожнай прыладзе на шыне.
Схематычнае прадстаўленне сеткі Ethercat з некалькімі вузламі. Крыніца:
Дарэчы, спецыфікацыя EtherCAT не ўтрымоўвае абмежаванняў фізічнага ўзроўня 100Base-TX, таму рэалізацыя пратаколу магчымая на аснове гігабітных і аптычных ліній.
Адкрытыя прамысловыя сеткі і стандарты PROFIBUS/NET кампаніі Siemens
Нямецкі канцэрн Siemens даўно вядомы сваімі праграмуемымі лагічнымі кантролерамі (ПЛК), якія выкарыстоўваецца па ўсім свеце.
Абмен дадзенымі паміж вузламі аўтаматызаванай сістэмы пад кіраваннем абсталявання Siemens рэалізуецца як па палявой шыне, якая называецца PROFIBUS, так і ў прамысловай сетцы PROFINET.
Шына PROFIBUS выкарыстоўвае спецыяльны двухжыльны кабель з раздымамі DB-9. У Siemens ён фіялетавы, але мы на практыцы сустракалі і іншыя:). Для сувязі некалькіх вузлоў раз'ём можа злучаць два кабелі. Таксама ў ім ёсць перамыкач для тэрмінальнага рэзістара. Тэрмінальны рэзістар павінен быць уключаны на канцавых прыладах сеткі, такім чынам паведамляецца, што гэта першая ці апошняя прылада, а пасля яго ўжо нічога няма, толькі цемра і пустата (усе rs485 так працуюць). Калі на прамежкавым раздыме ўлучыць рэзістар, то наступны за ім участак будзе адключаны.
Кабель PROFIBUS з злучальнымі раздымамі. Крыніца:
У сетцы PROFINET выкарыстоўваецца аналаг вітай пары, як правіла, з раздымамі RJ-45, кабель афарбаваны ў зялёны колер. Калі тапалогія PROFIBUS -шына, то тапалогія сеткі PROFINET можа ўяўляць сабой што заўгодна: хоць кольца, хоць зорку, хоць дрэва, хоць усё разам узятае.
Кантролер Siemens з падлучаным кабелем PROFINET. Крыніца: w3.siemens.com
Існуюць некалькі пратаколаў абмену па шыне PROFIBUS і ў сетцы PROFINET.
Для PROFIBUS:
- PROFIBUS DP – рэалізацыя гэтага пратакола мае на ўвазе сувязь з выдаленымі падпарадкаванымі прыладамі, у выпадку з PROFINET гэтаму пратаколу адпавядае пратакол PROFINET IO.
- PROFIBUS PA - з'яўляецца па сутнасці тым жа PROFIBUS DP, толькі выкарыстоўваецца для выбуховабяспечных выкананняў перадачы дадзеных і харчавання (аналаг PROFIBUS DP з іншымі фізічнымі ўласцівасцямі). Для PROFINET выбуховабяспечнага пратакола па аналогіі з PROFIBUS пакуль не існуе.
- PROFIBUS FMS - прызначаны для абмену дадзенымі з сістэмамі іншых вытворцаў, якія не могуць выкарыстоўваць PROFIBUS DP. Аналагам PROFIBUS FMS у сетцы PROFINET з'яўляецца пратакол PROFINET CBA.
Для PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Пратакол PROFINET IO дзеліцца на некалькі класаў:
- PROFINET NRT (без рэальнага часу) - выкарыстоўваецца ў прыкладаннях, дзе часовыя параметры не крытычныя. У ім выкарыстоўваецца пратакол перадачы даных Ethernet TCP/IP, а таксама UDP/IP.
- PROFINET RT (рэальны час) - тут абмен дадзенымі ўводу/высновы рэалізаваны з дапамогай фрэймаў Ethernet, але дыягнастычныя дадзеныя і дадзеныя сувязі ўсё яшчэ перадаюцца праз UDP/IP.
- PROFINET IRT (ізахроннае рэальны час) - гэты пратакол быў распрацаваны спецыяльна для прыкладанняў кіравання рухам і ўключае ў сябе ізахронную фазу перадачы дадзеных.
Што да рэалізацыі пратаколу цвёрдага рэальнага часу PROFINET IRT, то для камунікацый з выдаленымі прыладамі ў ім вылучаюць два канала абмену: ізахронны і асінхронны. Ізахронны канал з фіксаванай па часе даўжынёй цыклу абмену выкарыстоўвае тактавую сінхранізацыю і перадае крытычныя да часу дадзеныя, для перадачы выкарыстоўваюцца тэлеграмы другога ўзроўня. Працягласць перадачы ў ізахронным канале не перавышае 1 мілісекунд.
У асінхронным канале перадаюцца так званыя real-time-дадзеныя, якія таксама адрасуюцца пасродкам MAC-адрасы. Дадаткова перадаецца розная дыягнастычная і дапаможная інфармацыя ўжо па-над TCP/IP. Ні real-time-дадзеныя, ні тым больш іншая інфармацыя, зразумела, не можа перарываць ізахронны цыкл.
Пашыраны набор функцый PROFINET IO патрэбен далёка не для кожнай сістэмы прамысловай аўтаматыкі, таму гэты пратакол маштабуюць пад пэўны праект, з улікам класаў адпаведнасці або класаў ужывання (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Класы адпаведнасці дазваляюць абраць палявыя прылады і магістральныя кампаненты з мінімальна неабходнай функцыянальнасцю.
Крыніца:
Другі пратакол абмену ў сетцы PROFINET - PROFINET CBA - служыць для арганізацыі прамысловай сувязі паміж абсталяваннем розных вытворцаў. Асноўнай вытворчай адзінкай у сістэмах СВА з'яўляецца нейкая сутнасць, якая завецца кампанентам. Гэты кампанент звычайна ўяўляе сабой сукупнасць механічнай, электрычнай і электроннай часткі прылады ці ўстаноўкі, а таксама адпаведнае прыкладное праграмнае забеспячэнне. Для кожнага кампанента выбіраецца праграмны модуль, які змяшчае поўнае апісанне інтэрфейсу дадзенага кампанента па патрабаваннях стандарта PROFINET. Пасля чаго гэтыя праграмныя модулі выкарыстоўваюцца для абмену дадзенымі з прыладамі.
Пратакол Ethernet POWERLINK кампаніі B&R
Пратакол Powerlink распрацаваны аўстрыйскай кампаніяй B&R у пачатку 2000-х. Гэта яшчэ адна рэалізацыя пратакола рэальнага часу па-над стандартам Ethernet. Спецыфікацыя пратакола даступная і распаўсюджваецца свабодна.
У тэхналогіі Powerlink ужываецца механізм так званага змяшанага апытання, калі ўсё ўзаемадзеянне паміж прыладамі дзеліцца на некалькі фаз. Асоба крытычныя дадзеныя перадаюцца ў ізахроннай фазе абмену, для якой наладжваецца патрабаваны час водгуку, астатнія дадзеныя, будуць перададзены па меры магчымасці ў асінхроннай фазе.
Кантролер B&R з наборам модуляў уводу-высновы. Крыніца: br-automation.com
Першапачаткова пратакол быў рэалізаваны па-над фізічным узроўнем 100Base-TX, але пазней была распрацавана і гігабітная рэалізацыя.
У пратаколе Powerlink выкарыстоўваецца механізм планавання абмену. У сетку пасылаецца нейкі маркер або кіравальнае паведамленне, з дапамогай яго вызначаецца, якое з прылад мае ў дадзены момант дазвол на абмен дадзенымі. У кожны момант часу доступ да абмену можа мець толькі адна прылада.
Схематычнае прадстаўленне сеткі Ethernet POWERLINK з некалькімі вузламі.
У ізахроннай фазе які апытвае кантролер паслядоўна пасылае запыт кожнаму вузлу, ад якога неабходна атрымаць крытычныя дадзеныя.
Ізахронная фаза выконваецца, як ужо было сказана, з наладжвальным часам цыклу. У асінхроннай фазе абмену выкарыстоўваецца стэк пратаколу IP, кантролер запытвае некрытычныя дадзеныя ва ўсіх вузлоў, якія пасылаюць адказ па меры атрымання доступу да перадачы ў сетку. Суадносіны часу паміж ізахроннай і асінхроннай фазамі можна наладзіць уручную.
Пратакол Ethernet/IP кампаніі Rockwell Automation
Пратакол EtherNet/IP распрацаваны пры актыўным удзеле амерыканскай кампаніі Rockwell Automation у 2000 году. Ён выкарыстоўвае стэк TCP і UDP IP, і пашырае яго для прымянення ў прамысловай аўтаматызацыі. Другая частка назову, насуперак ходкаму меркаванню, азначае не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP выкарыстоўвае камунікацыйны стэк пратакола CIP (Common Interface Protocol), які таксама выкарыстоўваецца ў сетках ControlNet / DeviceNet і рэалізуецца па-над TCP/IP.
Спецыфікацыя EtherNet/IP з'яўляецца агульнадаступнай і распаўсюджваецца бясплатна. Тапалогія сеткі Ethernet/IP можа быць адвольнай і ўключаць у сябе кольца, зорку, дрэва ці шыну.
У дадатак да стандартных функцый пратаколаў HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP рэалізуе перадачу крытычных да часу дастаўкі дадзеных паміж апытвальным кантролерам і прыладамі ўводу/высновы. Перадача некрытычных да часу дадзеных забяспечваецца пакетамі TCP, а крытычная да часу дастаўка цыклічных дадзеных упраўлення ідзе па пратаколе UDP.
Для сінхранізацыі часу ў размеркаваных сістэмах EtherNet/IP выкарыстоўвае пратакол CIPsync, які з'яўляецца пашырэннем камунікацыйнага пратакола CIP.
Схематычны малюнак сеткі Ethernet/IP з некалькімі вузламі і падлучэннем Modbus-прылад. Крыніца:
Для спрашчэння налады сеткі EtherNet/IP большасць стандартных прылад аўтаматыкі маюць у камплекце загадзя вызначаныя канфігурацыйныя файлы.
Рэалізацыя пратакола FBUS у кампаніі Fastwel
Доўга думалі, ці ўключаць у гэты спіс расійскую кампанію Fastwel з яе айчыннай рэалізацыяй прамысловага пратакола FBUS, але потым усё ж вырашыліся напісаць пару абзацаў для лепшага разумення рэалій імпартазамяшчэння.
Існуе дзве фізічныя рэалізацыі FBUS. Адна з іх – гэта шына, у якой пратакол FBUS працуе па-над стандартам RS485. Акрамя гэтага ёсць рэалізацыя FBUS у прамысловай сетцы Ethernet.
FBUS складана назваць хуткадзейным пратаколам, час адказу моцна залежыць ад колькасці модуляў уводу-вываду на шыне і ад параметраў абмену, звычайна яно вагаецца ў межах 0,5-10 мілісекунд. Адзін падпарадкаваны вузел FBUS можа змяшчаць толькі 64 модуля ўводу-вываду. Для палявой шыны даўжыня кабеля не можа перавышаць 1 метр, таму аб размеркаваных сістэмах размова не ідзе. Дакладней ідзе, але толькі пры выкарыстанні прамысловай сеткі FBUS па-над TCP/IP, што азначае павелічэнне часу апытання ў некалькі разоў. Для падлучэння модуляў могуць выкарыстоўвацца падаўжальнікі шыны, што дазваляе зручна размясціць модулі ў шафе аўтаматыкі.
Кантролер Fastwel з падлучанымі модулямі ўводу-вываду. Крыніца:
Разам: як усё гэта выкарыстоўваецца на практыцы ў АСК ТП
Натуральна, краявідная разнастайнасць сучасных прамысловых пратаколаў перадачы дадзеных нашмат больш, чым мы апісалі ў гэтым артыкуле. Некаторыя прывязаныя да пэўнага вытворцы, некаторыя, наадварот, універсальныя. Пры распрацоўцы аўтаматызаваных сістэм кіравання тэхналагічным працэсам (АСК ТП) інжынер выбірае аптымальныя пратаколы, з улікам канкрэтных задач і абмежаванняў (тэхнічных і па бюджэце).
Калі казаць аб распаўсюджанасці таго ці іншага пратакола абмену, то можна прывесці дыяграму кампаніі HMS Networks AB, Якая ілюструе долі рынку розных тэхналогій абмену ў прамысловых сетках.
Крыніца:
Як відаць на дыяграме, PRONET і PROFIBUS ад Siemens займаюць лідзіруючыя пазіцыі.
Цікава, што 6 гадоў таму .
У табліцы ніжэй сабраны зводныя дадзеныя па апісаных пратаколах абмену. Некаторыя параметры, напрыклад, прадукцыйнасць выяўлены абстрактнымі тэрмінамі: высокая / нізкая. Лікавыя эквіваленты можна знайсці ў артыкулах па аналізе прадукцыйнасці.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Фізічны ўзровень
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Узровень перадачы даных
|
Канальны (Ethernet-фрэймы)
|
Канальны (Ethernet-фрэймы)
|
Канальны (Ethernet-фрэймы), Сеткавы/транспартны(TCP/IP)
|
Сеткавы/транспартны(TCP/IP)
|
Сеткавы/транспартны(TCP/IP)
|
|
Падтрымка рэальнага часу
|
Так
|
Так
|
Так
|
Так
|
Няма
|
|
Proizvoditelnost
|
Высокая
|
Высокая
|
IRT - высокая, RT - сярэдняя
|
Сярэдняя
|
нізкая
|
|
Даўжыня кабеля паміж вузламі
|
100м
|
100м/2км
|
100м
|
100м
|
100м
|
|
Фазы перадачы
|
Няма
|
Ізахронная + асінхронная
|
IRT - ізахронная + асінхронная, RT - асінхронная
|
Няма
|
Няма
|
|
Колькасць вузлоў
|
65535
|
240
|
Абмежаванне сеткі TCP/IP
|
Абмежаванне сеткі TCP/IP
|
Абмежаванне сеткі TCP/IP
|
|
Дазвол калізій
|
Кальцавая тапалогія
|
Тактавая сінхранізацыя, фазы перадачы
|
Кальцавая тапалогія, фазы перадачы
|
Камутатары, тапалогія "зорка"
|
Камутатары, тапалогія "зорка"
|
|
Гарачая замена
|
Няма
|
Так
|
Так
|
Так
|
У залежнасці ад рэалізацыі
|
|
кошт абсталявання
|
нізкая
|
нізкая
|
Высокая
|
Сярэдняя
|
нізкая
|
Вобласці прымянення апісаных пратаколаў абмену, палявых шын і прамысловых сетак вельмі разнастайныя. Пачынаючы ад хімічнай і аўтамабільнай прамысловасці і заканчваючы аэракасмічнымі тэхналогіямі і вытворчасцю электронікі. Хуткадзейныя пратаколы абмену запатрабаваны ў сістэмах real-time пазіцыянавання розных прылад і ў робататэхніцы.
А з якімі пратаколамі вы працавалі і дзе прымянялі? Дзяліцеся ў каментарах сваім досведам. 🙂
Крыніца: habr.com