vam parlar de com funcionen els busos i els protocols en l'automatització industrial. Aquesta vegada ens centrarem en solucions de treball modernes: mirarem quins protocols s'utilitzen en sistemes d'arreu del món. Considerem les tecnologies de les companyies alemanyes Beckhoff i Siemens, l'austríaca B&R, la nord-americana Rockwell Automation i la russa Fastwel. També estudiarem solucions universals que no estiguin vinculades a un fabricant concret, com EtherCAT i CAN.
Al final de l'article hi haurà una taula comparativa amb les característiques dels protocols EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP i ModbusTCP.
No vam incloure PRP, HSR, OPC UA i altres protocols a la revisió, perquè Ja hi ha articles excel·lents sobre ells a Habré dels nostres companys enginyers que estan desenvolupant sistemes d'automatització industrial. Per exemple, и .
En primer lloc, definim la terminologia: Industrial Ethernet = xarxa industrial, Fieldbus = bus de camp. En l'automatització industrial russa, hi ha confusió en termes relacionats amb el bus de camp i la xarxa industrial de nivell inferior. Sovint, aquests termes es combinen en un únic concepte vague anomenat "nivell inferior", que es coneix com a bus de camp i bus de subnivell, encara que pot ser que no sigui un bus en absolut.
Per què?Aquesta confusió es deu molt probablement al fet que en molts controladors moderns, la connexió dels mòduls d'E/S sovint s'implementa mitjançant un pla posterior o un bus físic. És a dir, determinats contactes de bus i connectors s'utilitzen per combinar diversos mòduls en una sola unitat. Però aquests nodes, al seu torn, es poden interconnectar tant per una xarxa industrial com per un bus de camp. En terminologia occidental hi ha una divisió clara: una xarxa és una xarxa, un autobús és un autobús. El primer està designat pel terme Industrial Ethernet, el segon per Fieldbus. L'article proposa utilitzar el terme "xarxa industrial" i el terme "bus de camp" per a aquests conceptes, respectivament.
Estàndard de xarxa industrial EtherCAT, desenvolupat per Beckhoff
El protocol EtherCAT i la xarxa industrial és potser un dels mètodes més ràpids de transmissió de dades en els sistemes d'automatització actuals. La xarxa EtherCAT s'utilitza amb èxit en sistemes d'automatització distribuïts, on els nodes que interactuen estan separats a llargues distàncies.
El protocol EtherCAT utilitza trames Ethernet estàndard per transmetre els seus telegrames, de manera que segueix sent compatible amb qualsevol equip Ethernet estàndard i, de fet, la recepció i transmissió de dades es pot organitzar en qualsevol controlador Ethernet, sempre que es disposi del programari adequat.
Controlador Beckhoff amb un conjunt de mòduls d'E/S. Font:
L'especificació del protocol és oberta i disponible, però només en el marc de l'associació de desenvolupament - EtherCAT Technology Group.
Així és com funciona EtherCAT (l'espectacle és fascinant, com el joc Zuma Inca):
L'alta velocitat d'intercanvi d'aquest protocol -i podem parlar d'unitats de microsegons- es realitza a causa del fet que els desenvolupadors es van negar a intercanviar mitjançant telegrames enviats directament a un dispositiu específic. En canvi, s'envia un telegrama a la xarxa EtherCAT, adreçat a tots els dispositius al mateix temps, cadascun dels nodes esclaus per a la recollida i la transmissió d'informació (també sovint s'anomenen OSO - dispositiu de comunicació d'objectes) n'agafa "sobre la marxa". les dades que li anaven destinades i insereix en un telegrama les dades que està disposat a facilitar per a l'intercanvi. Aleshores, el telegrama s'envia al següent node esclau, on es produeix la mateixa operació. Després d'haver passat per tots els dispositius de control, el telegrama es retorna al controlador principal, el qual, a partir de les dades rebudes dels dispositius esclaus, implementa la lògica de control, interactuant novament a través del telegrama amb els nodes esclaus, que emeten un senyal de control per l'equip.
Una xarxa EtherCAT pot tenir qualsevol topologia, però en essència sempre serà un anell, a causa de l'ús del mode dúplex complet i dos connectors Ethernet. D'aquesta manera, el telegrama es transmetrà sempre de manera seqüencial a cada dispositiu del bus.
Representació esquemàtica d'una xarxa Ethercat amb múltiples nodes. Font:
Per cert, l'especificació EtherCAT no conté restriccions a la capa física 100Base-TX, de manera que la implementació del protocol és possible basant-se en línies òptiques i gigabit.
Xarxes industrials obertes i estàndards PROFIBUS/NET de Siemens
L'empresa alemanya Siemens fa temps que és coneguda pels seus controladors lògics programables (PLC), que s'utilitzen a tot el món.
L'intercanvi de dades entre nodes d'un sistema automatitzat controlat per equips Siemens es realitza tant mitjançant un bus de camp anomenat PROFIBUS com a la xarxa industrial PROFINET.
El bus PROFIBUS utilitza un cable especial de dos nuclis amb connectors DB-9. Siemens el té en violeta, però n'hem vist altres a la pràctica :). Per connectar diversos nodes, un connector pot connectar dos cables. També té un interruptor per a la resistència terminal. La resistència terminal s'ha d'encendre als dispositius finals de la xarxa, indicant així que aquest és el primer o l'últim dispositiu, i després no hi ha res, només foscor i buit (tots els rs485 funcionen així). Si activeu una resistència al connector intermedi, la secció següent s'apagarà.
Cable PROFIBUS amb connectors de connexió. Font:
La xarxa PROFINET utilitza un cable de parell trenat analògic, normalment amb connectors RJ-45, el cable és de color verd. Si la topologia de PROFIBUS és un bus, aleshores la topologia de la xarxa PROFINET pot ser qualsevol cosa: un anell, una estrella, un arbre o tot combinat.
Controlador Siemens amb cable PROFINET connectat. Font: w3.siemens.com
Hi ha diversos protocols de comunicació al bus PROFIBUS i a la xarxa PROFINET.
Per a PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - la implementació d'aquest protocol implica la comunicació amb dispositius esclaus remots; en el cas de PROFINET, aquest protocol correspon al protocol PROFINET IO.
- PROFIBUS PA és bàsicament el mateix que PROFIBUS DP, només s'utilitza per a versions a prova d'explosió de transmissió de dades i font d'alimentació (anàloga a PROFIBUS DP amb diferents propietats físiques). Per a PROFINET, encara no existeix un protocol a prova d'explosió similar a PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS: dissenyat per a l'intercanvi de dades amb sistemes d'altres fabricants que no poden utilitzar PROFIBUS DP. L'analògic PROFIBUS FMS a la xarxa PROFINET és el protocol PROFINET CBA.
Per a PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
El protocol PROFINET IO es divideix en diverses classes:
- PROFINET NRT (temps no real): s'utilitza en aplicacions on els paràmetres de temporització no són crítics. Utilitza el protocol de transferència de dades Ethernet TCP/IP així com UDP/IP.
- PROFINET RT (temps real): aquí l'intercanvi de dades d'E/S s'implementa mitjançant trames Ethernet, però les dades de diagnòstic i comunicació encara es transfereixen mitjançant UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Aquest protocol es va desenvolupar específicament per a aplicacions de control de moviment i inclou una fase de transferència de dades isòcrona.
Pel que fa a la implementació del protocol de temps real dur PROFINET IRT, per a les comunicacions amb dispositius remots distingeix dos canals d'intercanvi: isòcrons i asíncrons. Un canal isòcron amb una durada fixa del cicle d'intercanvi utilitza la sincronització del rellotge i transmet dades crítiques pel temps; s'utilitzen telegrames de segon nivell per a la transmissió. La durada de la transmissió en un canal isòcron no supera 1 mil·lisegon.
El canal asíncron transmet les anomenades dades en temps real, que també s'aborden mitjançant una adreça MAC. A més, es transmet diverses informacions de diagnòstic i auxiliars a través de TCP/IP. Ni les dades en temps real, ni molt menys altra informació, és clar, poden interrompre el cicle isòcron.
El conjunt estès de funcions PROFINET IO no és necessari per a tots els sistemes d'automatització industrial, de manera que aquest protocol s'escala per a un projecte específic, tenint en compte les classes de compliment o classes de conformitat: CC-A, CC-B, CC-CC. Les classes de compliment us permeten seleccionar dispositius de camp i components de backbone amb la funcionalitat mínima necessària.
Font:
El segon protocol d'intercanvi de la xarxa PROFINET, PROFINET CBA, s'utilitza per organitzar la comunicació industrial entre equips de diferents fabricants. La unitat de producció principal dels sistemes IAS és una determinada entitat anomenada component. Aquest component sol ser una col·lecció de parts mecàniques, elèctriques i electròniques d'un dispositiu o instal·lació, així com el programari d'aplicació associat. Per a cada component, es selecciona un mòdul de programari que conté una descripció completa de la interfície d'aquest component d'acord amb els requisits de l'estàndard PROFINET. Després d'això, aquests mòduls de programari s'utilitzen per intercanviar dades amb dispositius.
Protocol B&R Ethernet POWERLINK
El protocol Powerlink va ser desenvolupat per l'empresa austríaca B&R a principis dels anys 2000. Aquesta és una altra implementació d'un protocol en temps real a la part superior de l'estàndard Ethernet. L'especificació del protocol està disponible i es distribueix lliurement.
La tecnologia Powerlink utilitza un mecanisme de sondeig mixt, quan tota la interacció entre dispositius es divideix en diverses fases. Les dades especialment crítiques es transmeten en la fase d'intercanvi isòcrona, per a la qual es configura el temps de resposta requerit; la resta de dades es transmetran, sempre que sigui possible, en la fase asíncrona.
Controlador B&R amb un conjunt de mòduls d'E/S. Font: br-automation.com
El protocol es va implementar originalment a sobre de la capa física 100Base-TX, però més tard es va desenvolupar una implementació gigabit.
El protocol Powerlink utilitza un mecanisme de programació de comunicacions. S'envia un determinat marcador o missatge de control a la xarxa, amb l'ajuda del qual es determina quin dels dispositius actualment té permís per intercanviar dades. Només un dispositiu pot tenir accés a l'intercanvi alhora.
Representació esquemàtica d'una xarxa Ethernet POWERLINK amb múltiples nodes.
En la fase isòcrona, el controlador de sondeig envia seqüencialment una sol·licitud a cada node des del qual necessita rebre dades crítiques.
La fase isòcrona es realitza, com ja s'ha dit, amb un temps de cicle ajustable. En la fase asíncrona de l'intercanvi, s'utilitza la pila de protocols IP, el controlador demana dades no crítiques a tots els nodes, que envien una resposta a mesura que accedeixen per transmetre a la xarxa. La relació de temps entre les fases isòcrona i asíncrona es pot ajustar manualment.
Protocol Ethernet/IP de Rockwell Automation
El protocol EtherNet/IP es va desenvolupar amb la participació activa de l'empresa nord-americana Rockwell Automation l'any 2000. Utilitza la pila IP TCP i UDP i l'estén per a aplicacions d'automatització industrial. La segona part del nom, contràriament a la creença popular, no vol dir Protocol d'Internet, sinó Protocol Industrial. UDP IP utilitza la pila de comunicacions CIP (Common Interface Protocol), que també s'utilitza a les xarxes ControlNet/DeviceNet i s'implementa a sobre de TCP/IP.
L'especificació EtherNet/IP està disponible públicament i de forma gratuïta. La topologia de la xarxa Ethernet/IP pot ser arbitrària i incloure anell, estrella, arbre o bus.
A més de les funcions estàndard dels protocols HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, implementa la transferència de dades crítiques en el temps entre el controlador de sondeig i els dispositius d'E/S. La transmissió de dades no crítiques en el temps la proporcionen paquets TCP, i el lliurament crític en el temps de dades de control cíclic es realitza mitjançant el protocol UDP.
Per sincronitzar l'hora en sistemes distribuïts, EtherNet/IP utilitza el protocol CIPsync, que és una extensió del protocol de comunicació CIP.
Representació esquemàtica d'una xarxa Ethernet/IP amb diversos nodes i connexió de dispositius Modbus. Font:
Per simplificar la configuració de la xarxa EtherNet/IP, la majoria dels dispositius d'automatització estàndard inclouen fitxers de configuració predefinits.
Implementació del protocol FBUS a Fastwel
Durant molt de temps vam pensar si incloure l'empresa russa Fastwel en aquesta llista amb la seva implementació nacional del protocol industrial FBUS, però després vam decidir escriure un parell de paràgrafs per entendre millor la realitat de la substitució d'importacions.
Hi ha dues implementacions físiques de FBUS. Un d'ells és un bus en el qual el protocol FBUS funciona per sobre de l'estàndard RS485. A més, hi ha una implementació de FBUS en una xarxa Ethernet industrial.
FBUS difícilment es pot anomenar un protocol d'alta velocitat; el temps de resposta depèn molt del nombre de mòduls d'E/S al bus i dels paràmetres d'intercanvi; normalment oscil·la entre 0,5 i 10 mil·lisegons. Un node esclau FBUS només pot contenir 64 mòduls d'E/S. Per a un bus de camp, la longitud del cable no pot superar 1 metre, per tant no estem parlant de sistemes distribuïts. O millor dit, ho fa, però només quan s'utilitza una xarxa FBUS industrial a través de TCP/IP, el que significa un augment del temps de sondeig diverses vegades. Els cables d'extensió de bus es poden utilitzar per connectar mòduls, cosa que permet la col·locació còmoda dels mòduls a l'armari d'automatització.
Controlador Fastwel amb mòduls d'E/S connectats. Font:
Total: com s'utilitza tot això a la pràctica en els sistemes de control de processos automatitzats
Naturalment, la varietat de tipus de protocols de transferència de dades industrials moderns és molt més gran del que hem descrit en aquest article. Alguns estan lligats a un fabricant específic, alguns, per contra, són universals. En desenvolupar sistemes de control de processos automatitzats (APCS), l'enginyer selecciona els protocols òptims, tenint en compte les tasques i limitacions específiques (tècniques i pressupostàries).
Si parlem de la prevalença d'un protocol d'intercanvi concret, podem oferir un diagrama de l'empresa HMS Networks AB, que il·lustra les quotes de mercat de diverses tecnologies d'intercanvi en xarxes industrials.
Font:
Com es pot veure al diagrama, PRONET i PROFIBUS de Siemens ocupen les posicions de lideratge.
Curiosament, fa 6 anys .
La taula següent conté dades resumides sobre els protocols d'intercanvi descrits. Alguns paràmetres, per exemple, el rendiment, s'expressen en termes abstractes: alt / baix. Els equivalents numèrics es poden trobar als articles d'anàlisi de rendiment.
|
|
Ethercat
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Capa física
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Nivell de dades
|
Canal (marcs Ethernet)
|
Canal (marcs Ethernet)
|
Canal (marcs Ethernet), xarxa/transport (TCP/IP)
|
Xarxa/Transport (TCP/IP)
|
Xarxa/Transport (TCP/IP)
|
|
Suport en temps real
|
Sí
|
Sí
|
Sí
|
Sí
|
No
|
|
Productivitat
|
Alt
|
Alt
|
IRT - alt, RT - mitjà
|
Mitjana
|
Baixa
|
|
Longitud del cable entre nodes
|
100m
|
100 m/2 km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fases de transferència
|
No
|
Isòcrona + asíncrona
|
IRT: isòcron + asíncron, RT: asíncron
|
No
|
No
|
|
Nombre de nodes
|
65535
|
240
|
Limitació de la xarxa TCP/IP
|
Limitació de la xarxa TCP/IP
|
Limitació de la xarxa TCP/IP
|
|
Resolució de col·lisions
|
Topologia en anell
|
Sincronització del rellotge, fases de transmissió
|
Topologia en anell, fases de transmissió
|
Interruptors, topologia en estrella
|
Interruptors, topologia en estrella
|
|
Intercanvi en calent
|
No
|
Sí
|
Sí
|
Sí
|
En funció de la implementació
|
|
Cost de l'equip
|
Baixa
|
Baixa
|
Alt
|
Mitjana
|
Baixa
|
Les àrees d'aplicació dels protocols d'intercanvi descrits, busos de camp i xarxes industrials són molt diverses. Des de la indústria química i de l'automoció fins a la tecnologia aeroespacial i la fabricació d'electrònica. Es demanen protocols d'intercanvi d'alta velocitat en sistemes de posicionament en temps real per a diversos dispositius i en robòtica.
Amb quins protocols vau treballar i on els vau aplicar? Comparteix la teva experiència als comentaris. 🙂
Font: www.habr.com