Обзор современных протоколов в системах промавтоматики

В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. 

В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».

Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.

Почему так?Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.

Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff

Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.

Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.

Контроллер Beckhoff с набором модулей ввода-вывода. Источник: www.beckhoff.de

Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.

Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):

Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.

Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.

Схематичное представление сети Ethercat с несколькими узлами. Источник: realpars.com

Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.

Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens

Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.

Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.

Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.

Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmerica

В сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.

Контроллер Siemens с подключенным кабелем PROFINET. Источник: w3.siemens.com

Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.

Для PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
3. PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.

Для PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:

• PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
• PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP. 
• PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.

Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.

В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.

Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью. 

Источник: PROFINET university lesson

Второй протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами. 

Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R

Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно. 

В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.

Контроллер B&R с набором модулей ввода-вывода. Источник: br-automation.com

Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.

В протоколе Powerlink используется механизм планирования обмена. В сеть посылается некий маркер или управляющее сообщение, с помощью него определяется, какое из устройств имеет в данный момент разрешение на обмен данными. В каждый момент времени доступ к обмену может иметь только одно устройство.

Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.

В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные. 

Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.

Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation

Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.

Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.

В дополнение к стандартным функциям протоколов HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP реализует передачу критичных ко времени доставки данных между опрашивающим контроллером и устройствами ввода/вывода. Передача некритичных ко времени данных обеспечивается пакетами TCP, а критичная ко времени доставка циклических данных управления идет по протоколу UDP. 

Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.

Схематическое изображение сети Ethernet/IP с несколькими узлами и подключением Modbus-устройств. Источник: www.icpdas.com.tw

Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.

Реализация протокола FBUS в компании Fastwel

Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.

Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.

FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.

Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Россия

Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП

Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).

Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.

Источник: HMS Networks AB

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

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

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

	EtherCAT	POWERLINK	PROFINET	EtherNet/IP	ModbusTCP
Физический уровень	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
Уровень передачи данных	Канальный (Ethernet-фреймы)	Канальный (Ethernet-фреймы)	Канальный (Ethernet-фреймы), Сетевой/транспортный(TCP/IP)	Сетевой/транспортный(TCP/IP)	Сетевой/транспортный(TCP/IP)
Поддержка реального времени	Да	Да	Да	Да	Нет
Производительность	Высокая	Высокая	IRT – высокая, RT – средняя	Средняя	Низкая
Длина кабеля между узлами	100м	100м/2км	100м	100м	100м
Фазы передачи	Нет	Изохронная + асинхронная	IRT – изохронная + асинхронная, RT – асинхронная	Нет	Нет
Количество узлов	65535	240	Ограничение сети TCP/IP	Ограничение сети TCP/IP	Ограничение сети TCP/IP
Разрешение коллизий	Кольцевая топология	Тактовая синхронизация, фазы передачи	Кольцевая топология, фазы передачи	Коммутаторы, топология “звезда”	Коммутаторы, топология “звезда”
Горячая замена	Нет	Да	Да	Да	В зависимости от реализации
Стоимость оборудования	Низкая	Низкая	Высокая	Средняя	Низкая

Области применения описанных протоколов обмена, полевых шин и промышленных сетей очень разнообразны. Начиная от химической и автомобильной промышленности и заканчивая аэрокосмическими технологиями и производством электроники. Быстродействующие протоколы обмена востребованы в системах real-time позиционирования различных устройств и в робототехнике.

А с какими протоколами вы работали и где применяли? Делитесь в комментариях своим опытом. 🙂

Источник: habr.com