Преглед на съвременните протokоли в системите за промишлена автоматизация

В предишната публикация разказахме как функционират шините и протоколите в индустриалната автоматизация. Този път ще се фокусираме върху съвременни работни решения: ще разгледаме какви протоколи се използват в системите по целия свят. Ще разгледаме технологиите на немските компании Beckhoff и Siemens, австрийската B&R, американската Rockwell Automation и руската Fastwel. Също така ще изследваме универсални решения, които не са свързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. 

В края на статията ще има сравнителна таблица с характеристики на протоколите EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Не включихме в прегледа протоколите PRP, HSR, OPC UA и други, тъй като по тях в Хабра вече има отлични статии на нашите колеги инженери, които се занимават с разработването на системи за индустриална автоматизация. Например, «Протоколите за „безшовно“ резервиране PRP и HSR» и «Гейтове за индустриални протоколи на Linux. Събери сам».

Първо нека определим терминологията: Industrial Ethernet = индустриална мрежа, Fieldbus = полева шина. В руската индустриална автоматизация често настъпва объркване в термините, свързани с полевата шина и индустриалната мрежа от ниско ниво. Често тези термини се обединяват в едно неопределено понятие „ниско ниво“, което се нарича и полева шина, и шина от ниско ниво, въпреки че това може да не е шина изобщо.

Защо е така?Такова объркване вероятно е свързано с факта, че в много съвременни контролери свързването на модулите за вход-изход често се реализира с помощта на свързваща панел (англ. backplane) или физическа шина. Тоест, се използват определени шини и съединители, за да се обединят няколко модула в единен възел. Но такива възли, от своя страна, могат да бъдат свързани помежду си и с индустриална мрежа, и с полева шина. В западната терминология има ясно разделение: мрежа — е мрежа, шина — е шина. Първото се обозначава с термина Industrial Ethernet, второто — Fieldbus. В статията за тези понятия се предлага да се използват термините «индустриална мрежа» и «полева шина» съответно.

Стандартът на индустриалната мрежа EtherCAT, разработен от компанията Beckhoff

Протоколът EtherCAT и индустриалната мрежа са, вероятно, един от най-бързите начини за предаване на данни в автоматизационните системи днес. Мрежата EtherCAT се използва успешно в разпределени автоматизационни системи, където взаимодействията между възлите са разположени на значително разстояние.

Протоколът EtherCAT използва стандартни Ethernet рамки за предаване на своите телеграми, така че съвместимостта с всяко стандартно Ethernet оборудване е запазена, а всъщност приемането и предаването на данни могат да бъдат организирани на всякакъв Ethernet контролер, при наличие на съответния софтуер.

Контролерът Beckhoff с набор от модули за вход и изход. Източник: www.beckhoff.de

Спецификацията на протокола е отворена и достъпна, но само в рамките на асоциацията за разработка — EtherCAT Technology Group.

Ето как работи EtherCAT (шоуто е впечатляващо, като играта Zuma Inca):

Високата скорост на обмен в този протокол — става дума за единици микро секунди — е реализирана благодарение на факта, че разработчиците са се отказали от обмена с помощта на телеграми, изпращани директно до конкретно устройство. Вместо това в мрежата EtherCAT се насочва една телеграма, адресирана до всички устройства едновременно; всеки от подчинените възли за събиране и предаване на информация (често наричани УСО — устройство за свързване с обекта) изтегля „на лету“ данните, предназначени за него, и вгражда в телеграмата данните, които е готов да предостави за обмен. След това телеграмата се изпраща на следващия подчинен възел, където се извършва същата операция. След като мине през всички УСО, телеграмата се връща на главния контролер, който на база получените от подчинените устройства данни реализира логиката за управление, отново взаимодействайки посредством телеграмата с подчинените възли, които издават управляващ сигнал на оборудването.

Мрежата EtherCAT може да има всякаква топология, но по същество това винаги ще бъде пръстен — поради използването на пълнодуплексен режим и два Ethernet конектора. По този начин телеграмата винаги ще се предава последователно на всяко устройство на шината.

Схематично представяне на мрежата EtherCAT с няколко възла. Източник: realpars.com

Впрочем, спецификация EtherCAT не ограничивает физический уровень 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.

Отворени индустриални мрежи и стандарти PROFIBUS/NEXT на компанията Siemens

Германският концерн Siemens отдавна е известен със своите програмируеми логически контролери (PLC), които се използват по целия свят.

Обменът на данни между възлите на автоматизирана система, управлявана от оборудване на Siemens, се реализира както по полевата шина, наречена PROFIBUS, така и в индустриалната мрежа PROFINET.

Шината PROFIBUS използва специален двужилен кабел с конектори DB-9. При Siemens той е лилав, но в практиката сме срещали и други :). За свързване на няколко възела конекторът може да свързва два кабела. В него има и превключвател за терминален резистор. Терминалният резистор трябва да бъде включен на краен автомобил в мрежата, така че да се свърже, че това е първото или последното устройство, а след него няма нищо, само мрак и пустота (всички rs485 работят по този начин). Ако на междинния конектор се включи резистор, следващият участък ще бъде изключен.

Кабел PROFIBUS с свързващи конектори. Източник: VIPA ControlsAmerica

В мрежата PROFINET се използва аналог на усукана двойка, обикновено с конектори RJ-45, кабелът е оцветен в зелен цвят. Ако топологията на PROFIBUS е шина, топологията на мрежата PROFINET може да бъде всякаква: дори пръстен, звезда, дърво или всичко заедно.

Контролер Siemens с прикрепен кабел PROFINET. Източник: w3.siemens.com

Съществуват няколко протокола за обмен по шината PROFIBUS и в мрежата PROFINET.

За PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — реализирането на този протокол предполага свързване с отдалечени подчинени устройства, а за PROFINET този протокол съответства на PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — всъщност е същият като PROFIBUS DP, но се използва за взривобезопасни изпълнения на предаване на данни и захранване (аналог на PROFIBUS DP с различни физически свойства). Все още не съществува взривобезопасен протокол за PROFINET, аналогичен на PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS — предназначен за обмен на данни със системи на други производители, които не могат да използват PROFIBUS DP. Аналогът на PROFIBUS FMS в мрежата PROFINET е протоколът PROFINET CBA.

За PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Протоколът PROFINET IO се разделя на няколко класа:

• PROFINET NRT (без реално време) — използва се в приложения, където времевите параметри не са критични. Използва протокол за предаване на данни Ethernet TCP/IP, както и UDP/IP.
• PROFINET RT (реално време) — тук обменът на данни за вход/изход се реализира с помощта на Ethernet рамки, но диагностичните данни и данните за свързаност все още се предават чрез UDP/IP. 
• PROFINET IRT (изохронно реално време) — този протокол е разработен специално за приложения за управление на движението и включва изохронна фаза за предаване на данни.

Що се отнася до реализацията на протокола за трудно реално време PROFINET IRT, за комуникации с отдалечени устройства се определят два канала за обмен: изохронен и асинхронен. Изохронният канал с фиксирана по време дължина на цикъла на обмена използва тактова синхронизация и предава критични за времето данни, за предаване се използват телеграми от второ ниво. Продължителността на предаване в изохронния канал не надвишава 1 милисекунда.

В асинхронния канал се предават така наречените real-time данни, които също така се адресират посредством MAC адрес. Допълнително се предава разнообразна диагностична и спомагателна информация вече чрез TCP/IP. Нито real-time данни, нито тем по-скоро друга информация, разбира се, не може да прекъсва изохронния цикъл.

Разширеният набор от функции PROFINET IO не е нужен за всяка система за индустриална автоматизация, затова този протокол се мащабира за конкретен проект, с оглед на класовете за съответствие или класовете на приложение (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Класовете за съответствие позволяват избора на полеви устройства и магистрални компоненти с минимално необходимата функционалност. 

Източник: PROFINET университетски урок

Вторият протокол за обмен в мрежата PROFINET — PROFINET CBA — служи за организиране на индустриална комуникация между оборудване на различни производители. Основната производствена единица в системите CBA представлява нещо, наречено компонент. Този компонент обикновено представлява съвкупност от механичната, електрическата и електронната част на устройството или инсталацията, както и съответното приложение. За всеки компонент се избира програмен модул, който съдържа пълно описание на интерфейса на този компонент съгласно изискванията на стандарта PROFINET. След това тези програмни модули се използват за обмен на данни с устройствата. 

Протоколът Ethernet POWERLINK на компанията B&R

Протоколът Powerlink е разработен от австрийската компания B&R в началото на 2000-те години. Това е още една реализация на протокол за реално време върху стандарта Ethernet. Спецификацията на протокола е достъпна и се разпространява свободно. 

В технологията Powerlink се прилага механизъм на т. нар. смесено запитване, когато всичко взаимодействие между устройствата се разделя на няколко фази. Особено критични данни се предават в изохронната фаза на обмена, за която се настройва необходимото време за реакция, останалите данни ще бъдат предадени при възможност в асинхронната фаза.

Контролерът B&R с набор от входно-изходни модули. Източник: br-automation.com

Първоначално протоколът беше реализиран върху физическия слой 100Base-TX, но по-късно беше разработена и гигабитната реализация.

В протокола Powerlink се използва механизъм за планиране на обмена. В мрежата се изпраща определен маркер или управляващо съобщение, с помощта на което се определя кое от устройствата в момента има разрешение за обмен на данни. Във всеки момент от време достъп до обмена може да има само едно устройство.

Схематично представяне на мрежата Ethernet POWERLINK с няколко възела.

В изохронната фаза запитващият контролер последователно изпраща запитване до всеки възел, от който е необходимо да се получат критични данни. 

Изохронната фаза се изпълнява, както вече беше споменато, с настраиваемо време за цикъл. В асинхронната фаза на обмяна се използва стек протокол IP, контролерът запитва некритични данни от всички възли, които изпращат отговор при получаване на достъп до предаване в мрежата. Соотношението на времето между изохронната и асинхронната фаза може да бъде настроено ръчно.

Ethernet/IP протокол на Rockwell Automation

Ethernet/IP протоколът е разработен с активното участие на американската компания Rockwell Automation през 2000 година. Той използва TCP и UDP IP стек и разширява него за приложение в индустриалната автоматизация. Втората част от името, всъщност, означава не Internet Protocol, а Industrial Protocol, въпреки разпространеното мнение. UDP IP използва комуникационния стек на CIP (Common Interface Protocol), който също се използва в ControlNet / DeviceNet мрежи и се реализира над TCP/IP.

Спецификацията за EtherNet/IP е обществено достъпна и се разпространява безплатно. Топологията на мрежата EtherNet/IP може да бъде произволна и да включва пръстен, звезда, дърво или шина.

В допълнение към стандартните функции на протоколите HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP реализира предаване на критични за времето на доставка данни между запитващия контролер и устройства за вход/изход. Предаването на некритични за времето данни се осъществява чрез TCP пакети, а критичната за времето доставка на циклични управленски данни преминава по протокола UDP. 

За синхронизация на времето в разпределени системи EtherNet/IP използва протокол CIPsync, който е разширение на комуникационния протокол CIP.

Схематично изображение на мрежата Ethernet/IP с няколко възли и свързване на Modbus устройства. Източник: www.icpdas.com.tw

За улесняване на настройката на мрежата EtherNet/IP, повечето стандартни автоматизационни устройства идват с предварително определени конфигурационни файлове.

Имплементация на протокол FBUS в компанията Fastwel

Дълго се колебаехме дали да включим в този списък руската компания Fastwel с нейното родно изпълнение на индустриалния протокол FBUS, но после решихме да напишем няколко абзаца за по-добро разбиране на реалностите на импортозаместителството.

Съществуват две физически реализации на FBUS. Едната от тях е шина, в която протоколът FBUS работи върху стандарта RS485. Освен това, има имплементация на FBUS в индустриалната мрежа Ethernet.

FBUS трудно наречь высокоскоростным протоколом, так как время ответа существенно зависит от числа модулей ввода-вывода на шине и параметров обмена, обычно варьируется от 0,5 до 10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать не более 64 модулей ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не должна превышать 1 метр, поэтому распределенные системы невозможны. Точнее, они возможны, но только с использованием промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что влечет за собой многократное увеличение времени опроса. Для подключения модулей можно использовать удлинители шины, что позволяет удобно размещать модули в шкафу автоматики.

Контролер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Русия

Итого: как это используется на практике в АСУ ТП

Естественно, разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных значительно больше, чем обсуждено в этой статье. Некоторые из них привязаны к конкретным производителям, другие же являются унифицированными. При разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, учитывая конкретные задачи и ограничения (технические и бюджетные).

Говоря о распространенности различных протоколов обмена, можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая показывает доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.

Източник: HMS Networks AB

Как видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают ведущие позиции.

Интересно, что 6 лет назад 60% рынка занимали протоколы PROFINET и Ethernet/IP..

В таблице ниже представлены сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность, выражены абстрактными терминами: высокая / низкая. Числовые эквиваленты можно найти в статьях по анализу производительности. 

Областите на приложение на описаните протоколи за обмен, полеви шини и промишлени мрежи са много разнообразни. От химическата и автомобилната промишленост до аерокосмическите технологии и производството на електроника. Протоколите за обмен с висока скорост са търсени в системи за позициониране в реално време на различни устройства и в роботиката.

А с какви протоколи сте работили и къде сте ги прилагали? Споделете опита си в коментарите. 🙂

Източник: habr.com