razgovarali smo o tome kako sabirnice i protokoli rade u industrijskoj automatizaciji. Ovaj put ćemo se fokusirati na moderna radna rješenja: pogledaćemo koji se protokoli koriste u sistemima širom svijeta. Razmotrimo tehnologije njemačkih kompanija Beckhoff i Siemens, austrijske B&R, američke Rockwell Automation i ruske Fastwel. Proučavat ćemo i univerzalna rješenja koja nisu vezana za određenog proizvođača, kao što su EtherCAT i CAN.
Na kraju članka nalazi se uporedna tabela sa karakteristikama EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP i ModbusTCP protokola.
U pregled nismo uključili PRP, HSR, OPC UA i druge protokole, jer Već postoje odlični članci o njima na Habréu od strane naših kolega inženjera koji razvijaju sisteme industrijske automatizacije. Na primjer, и .
Prvo, definišimo terminologiju: Industrijski Ethernet = industrijska mreža, Fieldbus = sabirnica polja. U ruskoj industrijskoj automatizaciji postoji zabuna u terminima koji se odnose na sabirnicu polja i industrijsku mrežu nižeg nivoa. Često se ovi termini kombinuju u jedan, nejasan koncept koji se naziva "niži nivo", koji se naziva i sabirnica polja i sabirnica podnivoa, iako možda uopšte nije sabirnica.
Zašto je to tako?Ova zabuna je najvjerovatnije posljedica činjenice da se u mnogim modernim kontrolerima povezivanje I/O modula često implementira pomoću stražnje ploče ili fizičke magistrale. Odnosno, određeni kontakti sabirnice i konektori se koriste za kombinovanje nekoliko modula u jednu jedinicu. Ali takvi čvorovi, zauzvrat, mogu biti međusobno povezani i industrijskom mrežom i sabirnicom. U zapadnoj terminologiji postoji jasna podjela: mreža je mreža, sabirnica je sabirnica. Prvi je označen pojmom Industrial Ethernet, a drugi Fieldbus. U članku se predlaže korištenje termina „industrijska mreža“ i termina „field bus“ za ove koncepte, respektivno.
Standard industrijske mreže EtherCAT, koji je razvio Beckhoff
Protokol EtherCAT i industrijska mreža je možda jedan od najbržih metoda prijenosa podataka u sustavima automatizacije današnjice. EtherCAT mreža se uspješno koristi u distribuiranim sistemima automatizacije, gdje su čvorovi u interakciji razdvojeni na velikim udaljenostima.
EtherCAT protokol koristi standardne Ethernet okvire za prijenos svojih telegrama, tako da ostaje kompatibilan sa bilo kojom standardnom Ethernet opremom i, zapravo, prijem i prijenos podataka može se organizirati na bilo kojem Ethernet kontroleru, pod uvjetom da je dostupan odgovarajući softver.
Beckhoff kontroler sa setom I/O modula. Izvor:
Specifikacija protokola je otvorena i dostupna, ali samo u okviru razvojne asocijacije - EtherCAT Technology Group.
Evo kako radi EtherCAT (spektakl je očaravajući, poput igre Zuma Inca):
Velika brzina razmjene u ovom protokolu - a možemo govoriti o jedinicama mikrosekundi - ostvarena je zbog činjenice da su programeri odbili razmjenu pomoću telegrama koji su poslani direktno na određeni uređaj. Umjesto toga, u EtherCAT mrežu se šalje jedan telegram, adresiran na sve uređaje u isto vrijeme, svaki od slave čvorova za prikupljanje i prijenos informacija (oni se često nazivaju i OSO - objektni komunikacioni uređaj) uzima od njega „u hodu“ podatke koji su mu bili namijenjeni i u telegram ubacuje podatke koje je spreman dati na razmjenu. Telegram se zatim šalje sljedećem slave čvoru, gdje se događa ista operacija. Nakon što je prošao kroz sve kontrolne uređaje, telegram se vraća glavnom kontroleru, koji na osnovu podataka primljenih od podređenih uređaja implementira kontrolnu logiku, ponovo komunicirajući putem telegrama sa slave čvorovima, koji izdaju kontrolni signal za opremu.
EtherCAT mreža može imati bilo koju topologiju, ali će u suštini uvijek biti prsten - zbog korištenja full duplex moda i dva Ethernet konektora. Na ovaj način, telegram će se uvijek prenositi sekvencijalno na svaki uređaj na sabirnici.
Šematski prikaz Ethercat mreže sa više čvorova. Izvor:
Inače, EtherCAT specifikacija ne sadrži ograničenja na fizičkom sloju 100Base-TX, tako da je implementacija protokola moguća na osnovu gigabitnih i optičkih linija.
Otvorene industrijske mreže i PROFIBUS/NET standardi iz Siemensa
Njemački koncern Siemens odavno je poznat po svojim programabilnim logičkim kontrolerima (PLC), koji se koriste u cijelom svijetu.
Razmjena podataka između čvorova automatiziranog sistema kontrolisanog Siemens opremom odvija se kako preko terenske magistrale zvane PROFIBUS, tako i u PROFINET industrijskoj mreži.
PROFIBUS sabirnica koristi poseban dvožilni kabel sa DB-9 konektorima. Siemens ga ima u ljubičastoj boji, ali vidjeli smo i druge u praksi :). Za povezivanje više čvorova, konektor može povezati dva kabla. Također ima prekidač za terminalni otpornik. Terminalni otpornik mora biti uključen na krajnjim uređajima mreže, čime se pokazuje da je ovo prvi ili posljednji uređaj, a nakon njega nema ničega, samo tama i praznina (svi rs485 rade ovako). Ako uključite otpornik na međukonektoru, dio koji slijedi bit će isključen.
PROFIBUS kabl sa priključnim konektorima. Izvor:
PROFINET mreža koristi analogni kabl sa upredenom paricom, obično sa RJ-45 konektorima, kabl je obojen zelenom bojom. Ako je topologija PROFIBUS-a sabirnica, onda topologija PROFINET mreže može biti bilo koja: prsten, zvijezda, drvo ili sve zajedno.
Siemens kontroler sa povezanim PROFINET kablom. Izvor: w3.siemens.com
Postoji nekoliko komunikacijskih protokola na PROFIBUS sabirnici iu PROFINET mreži.
Za PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementacija ovog protokola uključuje komunikaciju sa udaljenim slave uređajima, u slučaju PROFINET-a ovaj protokol odgovara PROFINET IO protokolu.
- PROFIBUS PA je u suštini isti kao PROFIBUS DP, samo se koristi za verzije prenosa podataka i napajanja koje su zaštićene od eksplozije (analogno PROFIBUS DP sa različitim fizičkim svojstvima). Za PROFINET, protokol otporan na eksploziju sličan PROFIBUS-u još ne postoji.
- PROFIBUS FMS - dizajniran za razmjenu podataka sa sistemima drugih proizvođača koji ne mogu koristiti PROFIBUS DP. Analog PROFIBUS FMS u PROFINET mreži je PROFINET CBA protokol.
Za PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO protokol je podijeljen u nekoliko klasa:
- PROFINET NRT (ne-real time) - koristi se u aplikacijama u kojima vremenski parametri nisu kritični. Koristi Ethernet TCP/IP protokol za prijenos podataka kao i UDP/IP.
- PROFINET RT (real time) - ovdje se I/O razmjena podataka implementira korištenjem Ethernet okvira, ali se dijagnostički i komunikacioni podaci i dalje prenose putem UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Ovaj protokol je razvijen posebno za aplikacije kontrole kretanja i uključuje fazu izohronog prijenosa podataka.
Što se tiče implementacije PROFINET IRT tvrdog protokola u realnom vremenu, za komunikaciju sa udaljenim uređajima razlikuje se dva kanala razmjene: izohroni i asinhroni. Izohroni kanal sa fiksnom dužinom ciklusa razmene koristi sinhronizaciju sata i prenosi podatke kritične za vreme; telegrami drugog nivoa se koriste za prenos. Trajanje prijenosa u izohronom kanalu ne prelazi 1 milisekundu.
Asinhroni kanal prenosi takozvane podatke u realnom vremenu, koji se takođe adresiraju preko MAC adrese. Dodatno, razne dijagnostičke i pomoćne informacije se prenose preko TCP/IP-a. Ni podaci u realnom vremenu, a još manje druge informacije, naravno, ne mogu prekinuti izohroni ciklus.
Prošireni skup PROFINET IO funkcija nije potreban za svaki sistem industrijske automatizacije, tako da je ovaj protokol skaliran za određeni projekat, uzimajući u obzir klase usklađenosti ili klase usklađenosti: CC-A, CC-B, CC-CC. Klase usklađenosti vam omogućavaju da odaberete terenske uređaje i komponente okosnice s minimalnom potrebnom funkcionalnošću.
izvor:
Drugi protokol razmjene u PROFINET mreži - PROFINET CBA - služi za organizaciju industrijske komunikacije između opreme različitih proizvođača. Glavna proizvodna jedinica u IAS sistemima je određeni entitet koji se naziva komponenta. Ova komponenta je obično skup mehaničkih, električnih i elektronskih dijelova uređaja ili instalacije, kao i pripadajući aplikativni softver. Za svaku komponentu odabire se softverski modul koji sadrži kompletan opis sučelja ove komponente u skladu sa zahtjevima PROFINET standarda. Nakon čega se ovi softverski moduli koriste za razmjenu podataka sa uređajima.
B&R Ethernet POWERLINK protokol
Protokol Powerlink razvila je austrijska kompanija B&R početkom 2000-ih. Ovo je još jedna implementacija protokola u realnom vremenu na vrhu Ethernet standarda. Specifikacija protokola je dostupna i slobodno se distribuira.
Powerlink tehnologija koristi takozvani mješoviti mehanizam prozivanja, kada je sva interakcija između uređaja podijeljena u nekoliko faza. Posebno kritični podaci se prenose u fazi izohrone razmene, za koju je konfigurisano potrebno vreme odziva, a preostali podaci će se, kad god je to moguće, prenositi u asinhronoj fazi.
B&R kontroler sa setom I/O modula. Izvor: br-automation.com
Protokol je prvobitno bio implementiran na vrhu 100Base-TX fizičkog sloja, ali je kasnije razvijena gigabitna implementacija.
Protokol Powerlink koristi mehanizam planiranja komunikacije. Mreži se šalje određeni marker ili kontrolna poruka uz pomoć koje se utvrđuje koji od uređaja trenutno ima dozvolu za razmjenu podataka. Samo jedan uređaj može istovremeno imati pristup centrali.
Šematski prikaz Ethernet POWERLINK mreže sa više čvorova.
U izohronoj fazi, kontrolor prozivanja sekvencijalno šalje zahtjev svakom čvoru iz kojeg treba da primi kritične podatke.
Izohrona faza se izvodi, kao što je već spomenuto, sa podesivim vremenom ciklusa. U asinhronoj fazi razmene koristi se stek IP protokola, kontroler zahteva nekritične podatke od svih čvorova, koji šalju odgovor kada dobiju pristup za prenos u mrežu. Vremenski odnos između izohrone i asinhrone faze može se podesiti ručno.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokol
EtherNet/IP protokol je razvijen uz aktivno učešće američke kompanije Rockwell Automation 2000. godine. Koristi TCP i UDP IP stek i proširuje ga za aplikacije industrijske automatizacije. Drugi dio imena, suprotno uvriježenom mišljenju, ne znači Internet protokol, već industrijski protokol. UDP IP koristi komunikacijski stog CIP (Common Interface Protocol), koji se također koristi u ControlNet/DeviceNet mrežama i implementiran je na vrhu TCP/IP-a.
EtherNet/IP specifikacija je javno dostupna i slobodno dostupna. Topologija Ethernet/IP mreže može biti proizvoljna i uključuje prsten, zvijezdu, stablo ili magistralu.
Pored standardnih funkcija HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokola, implementira prijenos vremenski kritičnih podataka između polling kontrolera i I/O uređaja. Prijenos vremenski nekritičnih podataka obezbjeđuje se TCP paketima, a vremenski kritična isporuka cikličkih kontrolnih podataka vrši se putem UDP protokola.
Za sinhronizaciju vremena u distribuiranim sistemima, EtherNet/IP koristi CIPsync protokol, koji je proširenje CIP komunikacionog protokola.
Šematski prikaz Ethernet/IP mreže sa više čvorova i povezivanjem Modbus uređaja. Izvor:
Kako bi se pojednostavilo podešavanje EtherNet/IP mreže, većina standardnih uređaja za automatizaciju dolazi s unaprijed definiranim konfiguracijskim datotekama.
Implementacija FBUS protokola u Fastwelu
Dugo smo razmišljali da li da na ovu listu uvrstimo rusku kompaniju Fastwel sa domaćom implementacijom FBUS industrijskog protokola, ali smo onda odlučili da napišemo nekoliko pasusa za bolje razumijevanje realnosti supstitucije uvoza.
Postoje dvije fizičke implementacije FBUS-a. Jedna od njih je sabirnica u kojoj FBUS protokol radi na vrhu RS485 standarda. Dodatno, postoji implementacija FBUS-a u industrijskoj Ethernet mreži.
FBUS se teško može nazvati protokolom velike brzine; vrijeme odziva jako ovisi o broju I/O modula na magistrali i parametrima razmjene, obično se kreće od 0,5 do 10 milisekundi. Jedan FBUS slave čvor može sadržavati samo 64 I/O modula. Za sabirnicu polja, dužina kabla ne može biti veća od 1 metar, tako da ne govorimo o distribuiranim sistemima. Tačnije, ima, ali samo kada se koristi industrijska FBUS mreža preko TCP/IP-a, što znači višestruko povećanje vremena glasanja. Produžni kablovi sabirnice se mogu koristiti za povezivanje modula, što omogućava praktično postavljanje modula u ormar za automatizaciju.
Fastwel kontroler sa povezanim I/O modulima. Izvor:
Ukupno: kako se sve ovo koristi u praksi u automatizovanim sistemima upravljanja procesima
Naravno, raznolikost tipova modernih industrijskih protokola za prijenos podataka je mnogo veća nego što smo opisali u ovom članku. Neki su vezani za određenog proizvođača, neki su, naprotiv, univerzalni. Prilikom razvoja automatizovanih sistema upravljanja procesima (APCS), inženjer bira optimalne protokole, uzimajući u obzir specifične zadatke i ograničenja (tehnička i budžetska).
Ako govorimo o rasprostranjenosti određenog protokola razmjene, možemo dati dijagram kompanije HMS Networks AB, koji ilustruje tržišne udjele različitih tehnologija razmjene u industrijskim mrežama.
izvor:
Kao što se vidi na dijagramu, PRONET i PROFIBUS iz Siemensa zauzimaju vodeće pozicije.
Zanimljivo, prije 6 godina .
Tabela ispod sadrži zbirne podatke o opisanim protokolima razmjene. Neki parametri, na primjer, performanse, izraženi su apstraktnim terminima: visoka/niska. Numerički ekvivalenti se mogu naći u člancima o analizi performansi.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fizički sloj
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Nivo podataka
|
Kanal (Ethernet okviri)
|
Kanal (Ethernet okviri)
|
Kanal (Ethernet okviri), Mreža/transport (TCP/IP)
|
Mreža/Transport (TCP/IP)
|
Mreža/Transport (TCP/IP)
|
|
Podrška u realnom vremenu
|
Da
|
Da
|
Da
|
Da
|
Nijedan
|
|
Produktivnost
|
Vysokaya
|
Vysokaya
|
IRT – visok, RT – srednji
|
Prosek
|
Nizkaâ
|
|
Dužina kabla između čvorova
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Faze transfera
|
Nijedan
|
Izohroni + asinhroni
|
IRT – izohroni + asinhroni, RT – asinhroni
|
Nijedan
|
Nijedan
|
|
Broj čvorova
|
65535
|
240
|
Ograničenje TCP/IP mreže
|
Ograničenje TCP/IP mreže
|
Ograničenje TCP/IP mreže
|
|
Rezolucija sudara
|
Topologija prstena
|
Sinhronizacija sata, faze prijenosa
|
Topologija prstena, faze prenosa
|
Prekidači, topologija zvijezda
|
Prekidači, topologija zvijezda
|
|
Vruća zamjena
|
Nijedan
|
Da
|
Da
|
Da
|
U zavisnosti od implementacije
|
|
Troškovi opreme
|
Nizkaâ
|
Nizkaâ
|
Vysokaya
|
Prosek
|
Nizkaâ
|
Područja primjene opisanih protokola razmjene, sabirnica polja i industrijskih mreža vrlo su raznolika. Od hemijske i automobilske industrije do vazduhoplovne tehnologije i proizvodnje elektronike. Protokoli za razmjenu velike brzine traženi su u sistemima pozicioniranja u realnom vremenu za različite uređaje i u robotici.
S kojim ste protokolima radili i gdje ste ih primjenjivali? Podijelite svoje iskustvo u komentarima. 🙂
izvor: www.habr.com