mluvili jsme o tom, jak fungují sběrnice a protokoly v průmyslové automatizaci. Tentokrát se zaměříme na moderní fungující řešení: podíváme se, jaké protokoly se používají v systémech po celém světě. Vezměme si technologie německých firem Beckhoff a Siemens, rakouské B&R, americké Rockwell Automation a ruské Fastwel. Budeme také studovat univerzální řešení, která nejsou vázána na konkrétního výrobce, jako jsou EtherCAT a CAN.
Na konci článku bude srovnávací tabulka s charakteristikami protokolů EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP a ModbusTCP.
Do přehledu jsme nezahrnuli protokoly PRP, HSR, OPC UA a další, protože Na Habré o nich již existují vynikající články od našich kolegů inženýrů, kteří vyvíjejí systémy průmyslové automatizace. Například, и .
Nejprve si definujme terminologii: Industrial Ethernet = průmyslová síť, Fieldbus = field bus. V ruské průmyslové automatizaci panuje zmatek v termínech souvisejících s provozní sběrnicí a průmyslovou sítí nižší úrovně. Často jsou tyto termíny kombinovány do jediného, vágního konceptu zvaného „nižší úroveň“, který je označován jako sběrnice fieldbus i podúrovňové sběrnice, i když to vůbec nemusí být sběrnice.
Proč tomu tak je?Tento zmatek je s největší pravděpodobností způsoben tím, že v mnoha moderních řídicích jednotkách je připojení I/O modulů často realizováno pomocí backplane nebo fyzické sběrnice. To znamená, že určité sběrnicové kontakty a konektory se používají ke spojení několika modulů do jedné jednotky. Ale takové uzly zase mohou být propojeny jak průmyslovou sítí, tak polní sběrnicí. V západní terminologii existuje jasné rozdělení: síť je síť, sběrnice je sběrnice. První je označen pojmem Industrial Ethernet, druhý Fieldbus. Článek navrhuje pro tyto pojmy používat termín „průmyslová síť“ a termín „polní sběrnice“.
Standard průmyslové sítě EtherCAT, vyvinutý společností Beckhoff
Protokol a průmyslová síť EtherCAT je dnes možná jednou z nejrychlejších metod přenosu dat v automatizačních systémech. Síť EtherCAT se úspěšně používá v distribuovaných automatizačních systémech, kde jsou interagující uzly odděleny na velké vzdálenosti.
Protokol EtherCAT používá k přenosu svých telegramů standardní ethernetové rámce, takže zůstává kompatibilní s jakýmkoli standardním ethernetovým zařízením a ve skutečnosti lze příjem a přenos dat organizovat na libovolném ethernetovém řadiči za předpokladu, že je k dispozici příslušný software.
Řadič Beckhoff se sadou I/O modulů. Zdroj:
Specifikace protokolu je otevřená a dostupná, ale pouze v rámci vývojářského sdružení – EtherCAT Technology Group.
Zde je návod, jak funguje EtherCAT (podívaná je fascinující, jako hra Zuma Inca):
Vysoká rychlost výměny v tomto protokolu - a můžeme hovořit o jednotkách mikrosekund - je realizována díky tomu, že vývojáři odmítli výměnu pomocí telegramů zasílaných přímo na konkrétní zařízení. Místo toho je do sítě EtherCAT odeslán jeden telegram, adresovaný všem zařízením současně, přičemž každý z podřízených uzlů pro shromažďování a přenos informací (často se jim také říká OSO - objektové komunikační zařízení) z něj „za běhu“ bere. data, která k tomu byla určena a vloží do telegramu data, která je připraven poskytnout k výměně. Telegram je poté odeslán do dalšího podřízeného uzlu, kde dojde ke stejné operaci. Po průchodu všemi řídicími zařízeními se telegram vrátí do hlavního řadiče, který na základě dat přijatých z podřízených zařízení implementuje řídicí logiku a opět interaguje prostřednictvím telegramu s podřízenými uzly, které vydávají řídicí signál vybavení.
Síť EtherCAT může mít libovolnou topologii, ale v podstatě to bude vždy kruhová – kvůli použití plně duplexního režimu a dvou ethernetových konektorů. Tímto způsobem bude telegram vždy přenášen postupně ke každému zařízení na sběrnici.
Schematické znázornění sítě Ethercat s více uzly. Zdroj:
Specifikace EtherCAT mimochodem neobsahuje omezení fyzické vrstvy 100Base-TX, takže implementace protokolu je možná na gigabitových a optických linkách.
Otevřené průmyslové sítě a standardy PROFIBUS/NET od společnosti Siemens
Německý koncern Siemens je dlouhodobě známý svými programovatelnými logickými automaty (PLC), které se používají po celém světě.
Výměna dat mezi uzly automatizovaného systému řízeného zařízeními Siemens probíhá jak po sběrnici PROFIBUS, tak v průmyslové síti PROFINET.
Sběrnice PROFIBUS využívá speciální dvoužilový kabel s konektory DB-9. Siemens to má ve fialové barvě, ale v praxi jsme viděli i jiné :). Pro připojení více uzlů může konektor připojit dva kabely. Má také přepínač pro zakončovací odpor. Na koncových zařízeních sítě se musí zapnout koncový odpor, tím je indikováno, že se jedná o první nebo poslední zařízení a po něm už není nic, jen tma a prázdno (všechny rs485 takto fungují). Pokud zapnete rezistor na mezikonektoru, sekce následující za ním se vypne.
PROFIBUS kabel s propojovacími konektory. Zdroj:
Síť PROFINET používá analogový kroucený dvoulinkový kabel, obvykle s konektory RJ-45, kabel má zelenou barvu. Pokud je topologie PROFIBUS sběrnice, pak topologie sítě PROFINET může být jakákoli: prstenec, hvězda, strom nebo vše dohromady.
Regulátor Siemens s připojeným PROFINET kabelem. Zdroj: w3.siemens.com
Na sběrnici PROFIBUS a v síti PROFINET je několik komunikačních protokolů.
Pro PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementace tohoto protokolu zahrnuje komunikaci se vzdálenými slave zařízeními, v případě PROFINET tento protokol odpovídá protokolu PROFINET IO.
- PROFIBUS PA je v podstatě stejný jako PROFIBUS DP, používá se pouze pro nevýbušné verze přenosu dat a napájení (obdoba PROFIBUS DP s jinými fyzikálními vlastnostmi). Pro PROFINET zatím neexistuje protokol odolný proti výbuchu podobný PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - určený pro výměnu dat se systémy jiných výrobců, které nemohou používat PROFIBUS DP. Analogem PROFIBUS FMS v síti PROFINET je protokol PROFINET CBA.
Pro PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protokol PROFINET IO je rozdělen do několika tříd:
- PROFINET NRT (non-real time) - používá se v aplikacích, kde parametry časování nejsou kritické. Používá protokol přenosu dat Ethernet TCP/IP a také UDP/IP.
- PROFINET RT (real time) - zde je výměna I/O dat realizována pomocí ethernetových rámců, ale diagnostická a komunikační data jsou stále přenášena přes UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Tento protokol byl vyvinut speciálně pro aplikace řízení pohybu a zahrnuje fázi izochronního přenosu dat.
Co se týče implementace protokolu PROFINET IRT hard real-time, pro komunikaci se vzdálenými zařízeními rozlišuje dva výměnné kanály: izochronní a asynchronní. Izochronní kanál s pevnou délkou výměnného cyklu využívá synchronizaci hodin a přenáší časově kritická data, pro přenos se používají telegramy druhé úrovně. Doba přenosu v izochronním kanálu nepřesahuje 1 milisekundu.
Asynchronní kanál přenáší tzv. data v reálném čase, která jsou rovněž adresována prostřednictvím MAC adresy. Kromě toho se přes TCP/IP přenášejí různé diagnostické a pomocné informace. Ani data v reálném čase, tím méně další informace samozřejmě nemohou přerušit izochronní cyklus.
Rozšířená sada funkcí PROFINET IO není potřebná pro každý systém průmyslové automatizace, takže tento protokol je škálován pro konkrétní projekt s ohledem na třídy shody nebo třídy shody: CC-A, CC-B, CC-CC. Třídy shody vám umožňují vybrat provozní zařízení a páteřní komponenty s minimální požadovanou funkčností.
Zdroj:
Druhý výměnný protokol v síti PROFINET - PROFINET CBA - se používá k organizaci průmyslové komunikace mezi zařízeními různých výrobců. Hlavní výrobní jednotkou v systémech IAS je určitá entita nazývaná komponenta. Tato komponenta je obvykle sbírka mechanických, elektrických a elektronických částí zařízení nebo instalace, stejně jako související aplikační software. Pro každou komponentu je vybrán softwarový modul, který obsahuje kompletní popis rozhraní této komponenty v souladu s požadavky standardu PROFINET. Poté se tyto softwarové moduly používají k výměně dat se zařízeními.
Protokol B&R Ethernet POWERLINK
Protokol Powerlink byl vyvinut rakouskou společností B&R na počátku 2000. století. Jedná se o další implementaci protokolu v reálném čase nad rámec standardu Ethernet. Specifikace protokolu je dostupná a volně distribuovaná.
Technologie Powerlink využívá tzv. smíšený pollingový mechanismus, kdy je veškerá interakce mezi zařízeními rozdělena do několika fází. Zvláště kritická data jsou přenášena ve fázi izochronní výměny, pro kterou je nakonfigurována požadovaná doba odezvy, zbývající data budou přenášena, kdykoli to bude možné, v asynchronní fázi.
B&R kontrolér se sadou I/O modulů. Zdroj: br-automation.com
Protokol byl původně implementován na fyzické vrstvě 100Base-TX, ale později byla vyvinuta gigabitová implementace.
Protokol Powerlink využívá mechanismus plánování komunikace. Do sítě je odeslána určitá značka nebo řídicí zpráva, pomocí které se zjistí, které ze zařízení má aktuálně oprávnění k výměně dat. Přístup k ústředně může mít vždy pouze jedno zařízení.
Schematické znázornění sítě Ethernet POWERLINK s více uzly.
V izochronní fázi řadič dotazování postupně posílá požadavek každému uzlu, ze kterého potřebuje přijímat kritická data.
Izochronní fáze se provádí, jak již bylo zmíněno, s nastavitelnou dobou cyklu. V asynchronní fázi výměny se používá zásobník protokolu IP, řadič požaduje nekritická data ze všech uzlů, které odesílají odpověď, jakmile získají přístup k přenosu do sítě. Časový poměr mezi izochronní a asynchronní fází lze nastavit ručně.
Protokol Rockwell Automation Ethernet/IP
Protokol EtherNet/IP byl vyvinut za aktivní účasti americké společnosti Rockwell Automation v roce 2000. Využívá TCP a UDP IP stack a rozšiřuje jej pro aplikace průmyslové automatizace. Druhá část názvu, na rozdíl od všeobecného mínění, neznamená internetový protokol, ale průmyslový protokol. UDP IP využívá komunikační zásobník CIP (Common Interface Protocol), který se také používá v sítích ControlNet/DeviceNet a je implementován nad TCP/IP.
Specifikace EtherNet/IP je veřejně dostupná a volně dostupná. Topologie sítě Ethernet/IP může být libovolná a může zahrnovat kruh, hvězdu, strom nebo sběrnici.
Kromě standardních funkcí protokolů HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementuje přenos časově kritických dat mezi řadičem dotazování a I/O zařízeními. Přenos časově nekritických dat je zajišťován TCP pakety a časově kritické doručování cyklických řídicích dat probíhá přes protokol UDP.
Pro synchronizaci času v distribuovaných systémech využívá EtherNet/IP protokol CIPsync, který je rozšířením komunikačního protokolu CIP.
Schematické znázornění sítě Ethernet/IP s několika uzly a připojením zařízení Modbus. Zdroj:
Pro zjednodušení nastavení sítě EtherNet/IP se většina standardních automatizačních zařízení dodává s předdefinovanými konfiguračními soubory.
Implementace protokolu FBUS ve společnosti Fastwel
Dlouho jsme přemýšleli, zda do tohoto seznamu zahrnout ruskou společnost Fastwel s její domácí implementací průmyslového protokolu FBUS, ale pak jsme se rozhodli napsat pár odstavců pro lepší pochopení reality substituce importu.
Existují dvě fyzické implementace FBUS. Jednou z nich je sběrnice, ve které běží protokol FBUS nad standardem RS485. Kromě toho existuje implementace FBUS v průmyslové síti Ethernet.
FBUS lze jen stěží nazvat vysokorychlostním protokolem, doba odezvy silně závisí na počtu I/O modulů na sběrnici a na parametrech ústředny, obvykle se pohybuje od 0,5 do 10 milisekund. Jeden FBUS slave uzel může obsahovat pouze 64 I/O modulů. U fieldbus nesmí délka kabelu přesáhnout 1 metr, takže nemluvíme o distribuovaných systémech. Přesněji ano, ale pouze při použití průmyslové sítě FBUS přes TCP/IP, což znamená několikanásobné prodloužení doby dotazování. Pro připojení modulů lze použít prodlužovací kabely sběrnice, což umožňuje pohodlné umístění modulů v automatizační skříni.
Řadič Fastwel s připojenými I/O moduly. Zdroj:
Celkem: jak se to vše využívá v praxi v automatizovaných systémech řízení procesů
Rozmanitost typů moderních protokolů průmyslového přenosu dat je přirozeně mnohem větší, než jsme popsali v tomto článku. Některé jsou vázány na konkrétního výrobce, některé jsou naopak univerzální. Při vývoji automatizovaných systémů řízení procesů (APCS) inženýr vybírá optimální protokoly s přihlédnutím ke konkrétním úkolům a omezením (technickým a rozpočtovým).
Pokud mluvíme o prevalenci konkrétního výměnného protokolu, můžeme poskytnout diagram společnosti HMS Networks AB, která ilustruje tržní podíly různých výměnných technologií v průmyslových sítích.
Zdroj:
Jak je vidět na schématu, přední místa zaujímají PRONET a PROFIBUS od společnosti Siemens.
Zajímavé je, že před 6 lety .
Níže uvedená tabulka obsahuje souhrnné údaje o popsaných výměnných protokolech. Některé parametry, například výkon, jsou vyjádřeny abstraktně: vysoký / nízký. Číselné ekvivalenty lze nalézt v článcích analýzy výkonu.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Fyzická vrstva
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Úroveň dat
|
Kanál (ethernetové rámce)
|
Kanál (ethernetové rámce)
|
Kanál (ethernetové rámce), Síť/přenos (TCP/IP)
|
Síť/Doprava (TCP/IP)
|
Síť/Doprava (TCP/IP)
|
|
Podpora v reálném čase
|
Ano
|
Ano
|
Ano
|
Ano
|
Ne
|
|
Производительность
|
Vysoký
|
Vysoký
|
IRT – vysoké, RT – střední
|
Průměr
|
Nízká
|
|
Délka kabelu mezi uzly
|
100m
|
100 m/2 km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Přenosové fáze
|
Ne
|
Izochronní + asynchronní
|
IRT – izochronní + asynchronní, RT – asynchronní
|
Ne
|
Ne
|
|
Počet uzlů
|
65535
|
240
|
Omezení sítě TCP/IP
|
Omezení sítě TCP/IP
|
Omezení sítě TCP/IP
|
|
Řešení kolize
|
Prstencová topologie
|
Synchronizace hodin, fáze přenosu
|
Kruhová topologie, fáze přenosu
|
Přepínače, hvězdicová topologie
|
Přepínače, hvězdicová topologie
|
|
Hot swap
|
Ne
|
Ano
|
Ano
|
Ano
|
V závislosti na provedení
|
|
Náklady na vybavení
|
Nízká
|
Nízká
|
Vysoký
|
Průměr
|
Nízká
|
Oblasti použití popsaných výměnných protokolů, průmyslových sběrnic a průmyslových sítí jsou velmi rozmanité. Od chemického a automobilového průmyslu až po leteckou techniku a výrobu elektroniky. Vysokorychlostní výměnné protokoly jsou žádané v systémech určování polohy v reálném čase pro různá zařízení a v robotice.
S jakými protokoly jste pracovali a kde jste je aplikovali? Podělte se o své zkušenosti v komentářích. 🙂
Zdroj: www.habr.com