Преглед на съвременните протоколи в системите за индустриална автоматизация

В предишната публикация говорихме за това как работят автобусите и протоколите в индустриалната автоматизация. Този път ще се съсредоточим върху модерни работещи решения: ще разгледаме какви протоколи се използват в системите по света. Да разгледаме технологиите на немските компании Beckhoff и Siemens, австрийската B&R, американската Rockwell Automation и руската Fastwel. Ще проучим и универсални решения, които не са обвързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. 

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

Не включихме PRP, HSR, OPC UA и други протоколи в прегледа, т.к Вече има отлични статии за тях на Habré от наши колеги инженери, които разработват системи за индустриална автоматизация. Например, „Протоколи за „безпроблемно“ резервиране на PRP и HSR“ и „Шлюзове на протоколи за индустриален обмен на Linux. Сглобете го сами".

Първо, нека дефинираме терминологията: Industrial Ethernet = индустриална мрежа, Fieldbus = полева шина. В руската индустриална автоматизация има объркване по отношение на термините, свързани с полевата шина и индустриалната мрежа от по-ниско ниво. Често тези термини се комбинират в една единствена, неясна концепция, наречена "по-ниско ниво", която се нарича както полева шина, така и шина на подниво, въпреки че може изобщо да не е шина.

Защо?Това объркване най-вероятно се дължи на факта, че в много съвременни контролери свързването на I/O модули често се осъществява с помощта на задна платка или физическа шина. Тоест определени шинни контакти и съединители се използват за комбиниране на няколко модула в едно цяло. Но такива възли от своя страна могат да бъдат свързани помежду си както с индустриална мрежа, така и с полева шина. В западната терминология има ясно разделение: мрежа е мрежа, автобус е автобус. Първият е обозначен с термина Industrial Ethernet, вторият с Fieldbus. Статията предлага за тези понятия да се използва съответно терминът „индустриална мрежа“ и терминът „полева шина“.

Стандарт за индустриална мрежа EtherCAT, разработен от Beckhoff

Протоколът EtherCAT и индустриалната мрежа са може би един от най-бързите методи за предаване на данни в системите за автоматизация днес. EtherCAT мрежата се използва успешно в разпределени системи за автоматизация, където взаимодействащите възли са разделени на големи разстояния.

Протоколът EtherCAT използва стандартни Ethernet рамки за предаване на своите телеграми, така че остава съвместим с всяко стандартно Ethernet оборудване и всъщност приемането и предаването на данни може да се организира на всеки Ethernet контролер, при условие че е наличен подходящият софтуер.

Контролер Beckhoff с комплект I/O модули. 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 (спектакълът е хипнотизиращ, като играта Zuma Inca):

Високата скорост на обмен в този протокол - и можем да говорим за единици микросекунди - се реализира поради факта, че разработчиците отказаха обмен с помощта на телеграми, изпратени директно до конкретно устройство. Вместо това се изпраща една телеграма до мрежата EtherCAT, адресирана до всички устройства едновременно, всеки от подчинените възли за събиране и предаване на информация (те също често се наричат ​​OSO - обектно комуникационно устройство) взема от нея „в движение“ данните, които са били предназначени за него, и вмъква в телеграма данните, които е готов да предостави за обмен. След това телеграмата се изпраща до следващия подчинен възел, където се извършва същата операция. След като премине през всички управляващи устройства, телеграмата се връща към главния контролер, който на базата на данните, получени от подчинените устройства, изпълнява управляващата логика, като отново взаимодейства чрез телеграмата с подчинените възли, които издават управляващ сигнал на оборудването.

Една EtherCAT мрежа може да има произволна топология, но по същество винаги ще бъде пръстен - поради използването на пълен дуплексен режим и два Ethernet конектора. По този начин телеграмата винаги ще се предава последователно към всяко устройство в шината.

Схематично представяне на Ethercat мрежа с множество възли. източник: realpars.com

Между другото, спецификацията на EtherCAT не съдържа ограничения за физическия слой 100Base-TX, така че внедряването на протокола е възможно въз основа на гигабитови и оптични линии.

Отворени индустриални мрежи и PROFIBUS/NET стандарти от Siemens

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

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

Шината PROFIBUS използва специален двужилен кабел с конектори DB-9. Сименс го има в лилаво, но други сме виждали на практика :). За да свържете множество възли, един конектор може да свърже два кабела. Има и ключ за крайния резистор. Крайният резистор трябва да е включен на крайните устройства на мрежата, като по този начин показва, че това е първото или последното устройство и след него няма нищо, само тъмнина и празнота (всички rs485 работят така). Ако включите резистор на междинния конектор, секцията след него ще бъде изключена.

PROFIBUS кабел със свързващи конектори. източник: VIPA ControlsAmerica

Мрежата PROFINET използва аналогов кабел с усукана двойка, обикновено с конектори RJ-45, кабелът е оцветен в зелено. Ако топологията на PROFIBUS е шина, тогава топологията на мрежата PROFINET може да бъде всичко: пръстен, звезда, дърво или всичко комбинирано.

Контролер Siemens със свързан PROFINET кабел. Източник: w3.siemens.com

Има няколко комуникационни протокола по шината PROFIBUS и в мрежата PROFINET.

За PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - изпълнението на този протокол включва комуникация с отдалечени подчинени устройства; в случая на PROFINET този протокол съответства на протокола PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA е по същество същият като PROFIBUS DP, използва се само за взривобезопасни версии на предаване на данни и захранване (аналогично на PROFIBUS DP с различни физически свойства). За PROFINET все още не съществува взривозащитен протокол, подобен 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 е разделен на няколко класа:

• PROFINET NRT (не в реално време) - използва се в приложения, където параметрите за синхронизация не са критични. Той използва Ethernet TCP/IP протокол за пренос на данни, както и UDP/IP.
• PROFINET RT (в реално време) - тук I/O обменът на данни се осъществява с помощта на Ethernet рамки, но диагностичните и комуникационни данни все още се прехвърлят чрез UDP/IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Този протокол е разработен специално за приложения за контрол на движението и включва фаза на изохронен трансфер на данни.

Що се отнася до внедряването на протокола за твърдо реално време PROFINET IRT, за комуникации с отдалечени устройства той разграничава два канала за обмен: изохронен и асинхронен. Изохронен канал с фиксирана дължина на цикъла на обмен използва синхронизация на часовника и предава критични за времето данни; за предаване се използват телеграми от второ ниво. Продължителността на предаване в изохронен канал не надвишава 1 милисекунда.

Асинхронният канал предава така наречените данни в реално време, които също се адресират чрез MAC адрес. Освен това през TCP/IP се предава различна диагностична и спомагателна информация. Нито данните в реално време, още по-малко друга информация, разбира се, могат да прекъснат изохронния цикъл.

Разширеният набор от PROFINET IO функции не е необходим за всяка система за индустриална автоматизация, така че този протокол е мащабиран за конкретен проект, като се вземат предвид класовете на съответствие или класовете на съответствие: CC-A, CC-B, CC-CC. Класовете на съответствие ви позволяват да изберете полеви устройства и опорни компоненти с минималната необходима функционалност. 

Източник: PROFINET университетски урок

Вторият протокол за обмен в мрежата PROFINET - PROFINET CBA - се използва за организиране на индустриална комуникация между оборудване от различни производители. Основната производствена единица в IAS системите е определено образувание, наречено компонент. Този компонент обикновено е колекция от механични, електрически и електронни части на устройство или инсталация, както и свързан приложен софтуер. За всеки компонент се избира софтуерен модул, който съдържа пълно описание на интерфейса на този компонент в съответствие с изискванията на стандарта PROFINET. След което тези софтуерни модули се използват за обмен на данни с устройства. 

B&R Ethernet POWERLINK протокол

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

Технологията Powerlink използва така наречения механизъм за смесено анкетиране, когато цялото взаимодействие между устройствата е разделено на няколко фази. Особено критични данни се предават във фазата на изохронен обмен, за която е конфигурирано необходимото време за реакция; останалите данни ще се предават, когато е възможно, в асинхронната фаза.

B&R контролер с набор I/O модули. Източник: br-automation.com

Първоначално протоколът е внедрен върху физическия слой 100Base-TX, но по-късно е разработена гигабитова реализация.

Протоколът Powerlink използва механизъм за комуникационен график. Към мрежата се изпраща определен маркер или контролно съобщение, с помощта на което се определя кое от устройствата в момента има разрешение за обмен на данни. Само едно устройство може да има достъп до борсата в даден момент.

Схематично представяне на Ethernet POWERLINK мрежа с множество възли.

В изохронната фаза полинг контролерът последователно изпраща заявка до всеки възел, от който трябва да получи критични данни. 

Изохронната фаза се извършва, както вече беше споменато, с регулируемо време на цикъла. В асинхронната фаза на обмена се използва IP протоколният стек, контролерът изисква некритични данни от всички възли, които изпращат отговор, когато получат достъп за предаване към мрежата. Съотношението на времето между изохронната и асинхронната фаза може да се регулира ръчно.

Ethernet/IP протокол на Rockwell Automation

Протоколът EtherNet/IP е разработен с активното участие на американската компания Rockwell Automation през 2000 г. Той използва TCP и UDP IP стека и го разширява за приложения за индустриална автоматизация. Втората част от името, противно на общоприетото схващане, не означава Интернет протокол, а Индустриален протокол. UDP IP използва комуникационния стек CIP (Common Interface Protocol), който също се използва в мрежите ControlNet/DeviceNet и е внедрен върху TCP/IP.

Спецификацията EtherNet/IP е публично достъпна и свободно достъпна. Мрежовата топология на 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, той реализира трансфер на критични за времето данни между контролера за запитване и I/O устройства. Предаването на некритични за времето данни се осигурява от TCP пакети, а критичната за времето доставка на циклични контролни данни се осъществява чрез UDP протокола. 

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

Схематично представяне на Ethernet/IP мрежа с няколко възела и свързване на Modbus устройства. източник: www.icpdas.com.tw

За да се опрости настройката на EtherNet/IP мрежата, повечето стандартни устройства за автоматизация идват с предварително дефинирани конфигурационни файлове.

Внедряване на протокола FBUS във Fastwel

Дълго време мислихме дали да включим руската компания Fastwel в този списък с нейното вътрешно внедряване на индустриалния протокол FBUS, но след това решихме да напишем няколко параграфа за по-добро разбиране на реалностите на заместването на вноса.

Има две физически реализации на FBUS. Една от тях е шина, в която протоколът FBUS работи върху стандарта RS485. Освен това има внедряване на FBUS в индустриална Ethernet мрежа.

FBUS трудно може да се нарече високоскоростен протокол; времето за реакция силно зависи от броя на I/O модулите на шината и от параметрите на обмена; обикновено варира от 0,5 до 10 милисекунди. Един FBUS slave възел може да съдържа само 64 I/O модула. За fieldbus дължината на кабела не може да надвишава 1 метър, така че не говорим за разпределени системи. Или по-скоро го прави, но само когато се използва индустриална FBUS мрежа през TCP/IP, което означава няколкократно увеличаване на времето за запитване. За свързване на модули могат да се използват удължителни кабели за шини, което позволява удобно поставяне на модулите в шкафа за автоматизация.

Контролер Fastwel със свързани I/O модули. източник: Control Engineering Русия

Общо: как всичко това се използва на практика в автоматизираните системи за управление на процесите

Естествено, разнообразието от видове съвременни индустриални протоколи за пренос на данни е много по-голямо, отколкото описахме в тази статия. Някои са обвързани с конкретен производител, други, напротив, са универсални. При разработването на автоматизирани системи за управление на процесите (APCS) инженерът избира оптималните протоколи, като взема предвид конкретни задачи и ограничения (технически и бюджетни).

Ако говорим за разпространението на определен протокол за обмен, можем да предоставим диаграма на компанията HMS Networks AB, който илюстрира пазарните дялове на различни технологии за обмен в индустриални мрежи.

Източник: HMS Networks AB

Както се вижда от диаграмата PRONET и PROFIBUS на Siemens заемат водещи позиции.

Интересното е, че преди 6г 60% от пазара беше зает от PROFINET и Ethernet/IP протоколи.

Таблицата по-долу съдържа обобщени данни за описаните протоколи за обмен. Някои параметри, например производителност, се изразяват в абстрактни термини: високо / ниско. Числени еквиваленти могат да бъдат намерени в статии за анализ на ефективността. 

	EtherCAT	POWERLINK	ПРОФИНЕТ	EtherNet / IP	ModbusTCP
Физически слой	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
Ниво на данни	Канал (Ethernet рамки)	Канал (Ethernet рамки)	Канал (Ethernet рамки), мрежа/транспорт (TCP/IP)	Мрежа/Транспорт (TCP/IP)	Мрежа/Транспорт (TCP/IP)
Поддръжка в реално време	Да	Да	Да	Да	Не
продуктивност	Високо	Високо	IRT – високо, RT – средно	Среден	ниско
Дължина на кабела между възлите	100m	100м/2км	100m	100m	100m
Трансферни фази	Не	Изохронен + асинхронен	IRT – изохронен + асинхронен, RT – асинхронен	Не	Не
Брой възли	65535	240	TCP/IP мрежово ограничение	TCP/IP мрежово ограничение	TCP/IP мрежово ограничение
Разрешаване на сблъсък	Топология на пръстена	Синхронизация на часовника, фази на предаване	Топология на пръстена, фази на предаване	Превключватели, звездна топология	Превключватели, звездна топология
Гореща смяна	Не	Да	Да	Да	В зависимост от изпълнението
Разходи за оборудване	ниско	ниско	Високо	Среден	ниско

Областите на приложение на описаните протоколи за обмен, полеви шини и индустриални мрежи са много разнообразни. От химическата и автомобилната промишленост до аерокосмическата технология и производството на електроника. Високоскоростните протоколи за обмен са търсени в системите за позициониране в реално време за различни устройства и в роботиката.

С какви протоколи работихте и къде ги прилагахте? Споделете опита си в коментарите. 🙂

Източник: www.habr.com