Přehled současných protokolů v systémech průmyslové automatizace

V předchozím příspěvku jsme se zaměřili na to, jak fungují sběrnice a protokoly v průmyslové automatizaci. Tentokrát se soustředíme na moderní pracovní řešení: podíváme se, jaké protokoly se používají v systémech po celém světě. Prozkoumáme technologie německých společností Beckhoff a Siemens, rakouské B&R, americké Rockwell Automation a ruské Fastwel. Dále se zaměříme na univerzální řešení, která nejsou vázána na konkrétní výrobce, jako jsou EtherCAT a CAN. 

Na konci článku najdete srovnávací tabulku s charakteristikami protokolů EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP a ModbusTCP.

Nezahrnuli jsme do přehledu protokoly PRP, HSR, OPC UA a další, protože o nich již na Habr existují vynikající články našich kolegů inženýrů, kteří se zabývají vývojem systémů průmyslové automatizace. Například, „Protokoly „bezešvého“ zálohování PRP a HSR“ a „Brány průmyslových protokolů pro výměnu na Linuxu. Sestavte si sami“.

Nejprve si vyjasníme terminologii: Industrial Ethernet = průmyslová síť, Fieldbus = sběrnice. V ruské průmyslové automatizaci dochází k záměnám v terminologii týkající se sběrnice a průmyslové sítě nižší úrovně. Často jsou tyto pojmy spojovány do jednotného vágního pojmu „nižší úroveň“, který je nazýván jak sběrnicí, tak i sběrnicí nižší úrovně, přestože to vůbec nemusí být sběrnice.

Proč tomu tak je?Tato záměna pravděpodobně souvisí s tím, že v mnoha moderních řídicích systémech je připojení vstupně-výstupních modulů často realizováno pomocí sloučené desky (angl. backplane) nebo fyzické sběrnice. To znamená, že se používají určité sběrnicové kontakty a konektory pro spojení několika modulů do jednotného uzlu. Tyto uzly mohou být navzájem propojeny jak průmyslovou sítí, tak i sběrnicí. V západní terminologii existuje jasné rozdělení: síť – to je síť, sběrnice – to je sběrnice. První termín označuje Industrial Ethernet, druhý – Fieldbus. V článku se navrhuje pro tyto pojmy používat termín „průmyslová síť“ a termín „sběrnice“ pro příslušné pojmy.

Standard průmyslové sítě EtherCAT, vyvinutý společností Beckhoff

Protokol a průmyslová síť EtherCAT je jedním z nejrychlejších způsobů přenosu dat v automatizačních systémech. Síť EtherCAT se úspěšně používá v distribuovaných automatizačních systémech, kde jsou vzájemně propojené uzly umístěny na velké vzdálenosti.

Protokol EtherCAT používá standardní Ethernetové rámce pro přenos svých telegramů, takže zůstává kompatibilní s jakýmkoli standardním Ethernetovým zařízením a ve skutečnosti lze příjem a přenos dat organizovat na jakémkoli Ethernetovém kontroléru, pokud je k dispozici příslušný software.

Kontrolér Beckhoff s sadou modulů pro vstup a výstup. Zdroj: www.beckhoff.de

Specifikace protokolu je otevřená a dostupná, ale pouze v rámci vývojové asociace — EtherCAT Technology Group.

Takto funguje EtherCAT (podívaná je fascinující jako hra Zuma Inca):

Vysoká rychlost výměny v tomto protokolu — a týká se to jednotek mikrosekund — je realizována díky tomu, že vývojáři se vzdali výměny pomocí telegramů zasílaných přímo konkrétnímu zařízení. Místo toho je do sítě EtherCAT odeslán jeden telegram adresovaný všem zařízením najednou, každé z podřízených uzlů pro sběr a přenos informací (často nazývaných UCO — zařízení komunikace s objektem) „za letu“ převezme ty údaje, které mu byly určeny, a vloží do telegramu údaje, které je připraveno poskytnout pro výměnu. Po tom je telegram odeslán dalšímu podřízenému uzlu, kde probíhá stejná operace. Po projití všemi UCO se telegram vrací hlavnímu kontroléru, který na základě přijatých dat od podřízených zařízení provádí logiku řízení, znovu prostřednictvím telegramu komunikující s podřízenými uzly, které vydávají řízení signál pro zařízení.

Síť EtherCAT může mít libovolnou topologii, ale v podstatě to vždy bude kruh — díky použití plně duplexního režimu a dvou Ethernetových konektorů. Tímto způsobem je telegram vždy odesílán sekvenčně každému zařízení na sběrnici.

Schématické znázornění sítě EtherCAT s několika uzly. Zdroj: realpars.com

Specifikace EtherCAT nenabízí omezení fyzické úrovně 100Base-TX, a proto je možné implementovat protokol na základě gigabitových a optických linek.

Otevřené průmyslové sítě a standardy PROFIBUS/NEXT od společnosti Siemens

Německá společnost Siemens je již dlouho známá svými programovatelnými logickými controllery (PLC), které se používají po celém světě.

Výměna dat mezi uzly automatizovaného systému řízeného zařízeními Siemens probíhá jak po sběrnici, která se nazývá PROFIBUS, tak v průmyslové síti PROFINET.

Sběrnice PROFIBUS využívá speciální dvoužilový kabel s konektory DB-9. U Siemens je fialový, ale v praxi jsme se setkali i s jinými. Pro spojení několika uzlů může konektor spojovat dva kabely. Také je zde přepínač pro terminální rezistor. Terminální rezistor by měl být zapnut na koncových zařízeních sítě, což signalizuje, že jde o první nebo poslední zařízení, a za ním už není nic, jen tma a prázdnota (všechna rs485 tak fungují). Pokud na středovém konektoru zapnete rezistor, následující úsek bude odpojen.

Kabel PROFIBUS s připojovacími konektory. Zdroj: VIPA ControlsAmerica

V síti PROFINET se používá analog kroucené dvojice, obvykle s konektory RJ-45, kabel je zbarven zeleně. Pokud je topologie PROFIBUS sběrnicová, pak může být topologie sítě PROFINET jakákoli: ať už kruh, hvězda, strom nebo všechno dohromady.

Kontrolér Siemens s připojeným kabelem PROFINET. Zdroj: w3.siemens.com

Existuje několik protokolů pro výměnu na sběrnici PROFIBUS a v síti PROFINET.

Pro PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — implementace tohoto protokolu zahrnuje komunikaci s vzdálenými podřízenými zařízeními, v případě PROFINET odpovídá tomuto protokolu protokol PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — je v podstatě stejný jako PROFIBUS DP, jen se používá pro výbušně bezpečné provedení přenosu dat a napájení (analog PROFINUS DP s jinými fyzickými vlastnostmi). Pro PROFINET dosud neexistuje analog výbušně bezpečného protokolu podobně jako u PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS — je určen pro výměnu dat se systémy jiných výrobců, které nemohou používat PROFIBUS DP. Analogem PROFIBUS FMS v síti PROFINET je protokol PROFINET CBA.

Pro PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol PROFINET IO se dělí na několik tříd:

• PROFINET NRT (bez reálného času) — používá se v aplikacích, kde nejsou časové parametry kritické. Využívá protokol Ethernet TCP/IP pro přenos dat, stejně jako UDP/IP.
• PROFINET RT (reálný čas) — zde se výměna dat mezi vstupy a výstupy realizuje pomocí Ethernet rámců, ale diagnostická data a data komunikace se stále přenášejí přes UDP/IP. 
• PROFINET IRT (izokronní reálný čas) — tento protokol byl vyvinut speciálně pro aplikace řízení pohybu a zahrnuje izokronní fázi přenosu dat.

Pokud jde o implementaci protokolu tvrdého reálného času PROFINET IRT, pro komunikaci s vzdálenými zařízeními jsou vyčleněny dva směry výměny: izokronní a asynchronní. Izokronní kanál s fixní délkou cyklu výměny používá taktování a přenáší časově kritická data, přičemž pro přenos se používají telegramy druhé úrovně. Délka přenosu v izokronním kanálu nepřesahuje 1 milisekundu.

V asynchronním kanálu se přenášejí takzvaná real-time data, která jsou také adresována prostřednictvím MAC adresy. Dále se přenáší různá diagnostická a podpůrná informace již na TCP/IP. Ani real-time data, ani ostatní informace samozřejmě nemohou přerušit izokronní cyklus.

Rozšířená sada funkcí PROFINET IO není potřebná pro každou průmyslovou automatizační systémy, proto se tento protokol škáluje na konkrétní projekt s ohledem na třídy shody nebo třídy použití (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Třídy shody umožňují vybrat pole zařízení a sběrnicové komponenty s minimálními potřebnými funkcemi. 

Zdroj: PROFINET univerzitní lekce

Druhý protokol pro výměnu v síti PROFINET – PROFINET CBA – slouží k organizaci průmyslové komunikace mezi zařízeními různých výrobců. Hlavní jednotkou výroby v systémech CBA je entita nazývaná komponenta. Tato komponenta obvykle představuje souhrn mechanické, elektrické a elektronické části zařízení nebo instalace, jakož i odpovídající aplikační software. Pro každou komponentu je vybrán programový modul, který obsahuje úplný popis rozhraní této komponenty podle požadavků standardu PROFINET. Tyto programové moduly se poté používají pro výměnu dat se zařízeními. 

Protokol Ethernet POWERLINK společnosti B&R

Protokol Powerlink byl vyvinut rakouskou společností B&R na začátku 2000. let. Je to další implementace protokolu v reálném čase na základě standardu Ethernet. Specifikace protokolu je k dispozici a je šířena volně. 

V technologii Powerlink se používá mechanismus tzv. smíšeného dotazování, kdy je veškerá interakce mezi zařízeními rozdělena na několik fází. Obzvlášť kritická data jsou přenášena v izokronní fázi výměny, pro kterou je nastaven požadovaný čas odezvy, ostatní data budou předána podle možnosti v asynchronní fázi.

Řídicí jednotka B&R s různými vstupně-výstupními moduly. Zdroj: br-automation.com

Protokol byl původně implementován na fyzické úrovni 100Base-TX, ale později byla vyvinuta i gigabitová verze.

V protokolu Powerlink se používá mechanismus plánování výměny. Do sítě je vysílán určitý marker nebo řídící zpráva, pomocí které je určeno, které zařízení má v daný okamžik povolení k výměně dat. V každém okamžiku může mít přístup k výměně pouze jedno zařízení.

Schématické znázornění sítě Ethernet POWERLINK s několika uzly.

V izokronní fázi vyzývací řídicí jednotka postupně posílá dotaz každému uzlu, od kterého je potřeba získat kritická data. 

Izokronní fáze se provádí, jak již bylo zmíněno, s nastavitelným časovým cyklem. V asynchronní fázi výměny se používá zásobník protokolu IP, řadič požaduje nekritická data od všech uzlů, které posílají odpověď, jakmile získají přístup k přenosu do sítě. Poměr času mezi izokronní a asynchronní fází lze nastavit ručně.

Protokol Ethernet/IP společnosti Rockwell Automation

Protokol EtherNet/IP byl vyvinut za aktivní účasti americké společnosti Rockwell Automation v roce 2000. Používá zásobník TCP a UDP IP a rozšiřuje jej pro použití v průmyslové automatizaci. Druhá část názvu, navzdory obecnějšímu přesvědčení, neznamená Internet Protocol, ale Industrial Protocol. UDP IP používá komunikační zásobník protokolu CIP (Common Interface Protocol), který se také používá v sítích ControlNet / DeviceNet a realizuje se nad TCP/IP.

Specifikace EtherNet/IP je veřejně přístupná a je šířena zdarma. Topologie sítě Ethernet/IP může být libovolná a zahrnuje kruh, hvězdu, strom nebo sběrnici.

Kromě standardních funkcí protokolů HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP realizuje přenos kritických časových dat mezi dotazujícím řadičem a zařízeními vstupu/výstupu. Přenos nekritických časových dat je zajištěn balíčky TCP, zatímco kritické časové doručení cyklických řídicích dat probíhá prostřednictvím protokolu UDP. 

Pro synchronizaci času v distribuovaných systémech EtherNet/IP používá protokol CIPsync, který je rozšířením komunikačního protokolu CIP.

Schematický obrázek sítě Ethernet/IP s několika uzly a připojením zařízení Modbus. Zdroj: www.icpdas.com.tw

Pro usnadnění nastavení sítě EtherNet/IP většina standardních automatizačních zařízení dodává s předem definovanými konfiguračními soubory.

Implementace protokolu FBUS ve společnosti Fastwel

Dlouho jsme přemýšleli, zda zahrnout do tohoto seznamu ruskou společnost Fastwel s její domácí implementací průmyslového protokolu FBUS, ale nakonec jsme se rozhodli napsat několik odstavců pro lepší pochopení realit importního osazení.

Existují dvě fyzické implementace FBUS. Jedna z nich je sběrnice, ve které protokol FBUS pracuje nad standardem RS485. Kromě toho existuje implementace FBUS v průmyslové síti Ethernet.

FBUS těžko nazvat rychlým protokolem, doba odezvy silně závisí na počtu modulů vstupu a výstupu na sběrnici a na parametrech výměny, obvykle se pohybuje mezi 0,5—10 milisekundami. Jeden podřízený uzel FBUS může obsahovat pouze 64 modulů vstupu a výstupu. Pro pole sběrnice nesmí být délka kabelu větší než 1 metr, takže se o distribuovaných systémech nedá hovořit. Odpovídající se hovoří, ale pouze při použití průmyslové sítě FBUS po TCP/IP, což znamená několikanásobné zvýšení doby dotazování. Pro připojení modulů lze použít prodlužovače sběrnice, což umožňuje pohodlné umístění modulů v automační skříni.

Ovladač Fastwel s připojenými moduly vstupu a výstupu. Zdroj: Control Engineering Rusko

Celkem: jak se to všechno využívá v praxi v ASU TP

Samozřejmě, rozmanitost moderních průmyslových protokolů přenosu dat je mnohem větší, než jsme popsali v tomto článku. Některé jsou vázány na konkrétní výrobce, jiné jsou naopak univerzální. Při vývoji automatizovaných systémů řízení technologických procesů (ASU TP) inženýr vybírá optimální protokoly s ohledem na konkrétní úkoly a omezení (technická a rozpočtová).

Pokud jde o rozšířenost určitého protokolu, lze uvést diagram společnosti HMS Networks AB, který ilustruje podíly různých technologií výměny na průmyslových sítích.

Zdroj: HMS Networks AB

Jak je vidět na diagramu, PRONET a PROFIBUS od Siemense zabírají vedoucí pozice.

Zajímavé je, že před 6 lety 60% trhu zaujímaly protokoly PROFINET a Ethernet/IP..

V tabulce níže jsou shromážděny souhrnné údaje o popsaných protokolech výměny. Některé parametry, například výkon, jsou vyjádřeny abstraktními termíny: vysoký / nízký. Číselné ekvivalenty lze nalézt v článcích o analýze výkonu. 

Oblasti použití popsaných komunikačních protokolů, sběrnic a průmyslových sítí jsou velmi rozmanité. Od chemického a automobilového průmyslu až po letecké technologie a výrobu elektroniky. Rychlé komunikační protokoly jsou žádané v systémech real-time polohování různých zařízení a v robotice.

S jakými protokoly jste pracovali a kde jste je použili? Podělte se o své zkušenosti v komentářích. 🙂

Zdroj: habr.com