buom yn siarad am sut mae bysiau a phrotocolau yn gweithio ym maes awtomeiddio diwydiannol. Y tro hwn byddwn yn canolbwyntio ar atebion gweithio modern: byddwn yn edrych ar ba brotocolau a ddefnyddir mewn systemau ledled y byd. Gadewch i ni ystyried technolegau'r cwmnïau Almaeneg Beckhoff a Siemens, y B&R o Awstria, yr American Rockwell Automation a'r Fastwel Rwsiaidd. Byddwn hefyd yn astudio atebion cyffredinol nad ydynt yn gysylltiedig â gwneuthurwr penodol, megis EtherCAT a CAN.
Ar ddiwedd yr erthygl bydd tabl cymharu gyda nodweddion protocolau EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP a ModbusTCP.
Ni wnaethom gynnwys protocolau PRP, HSR, OPC UA ac eraill yn yr adolygiad, oherwydd Mae eisoes erthyglau rhagorol arnynt ar Habré gan ein cyd-beirianwyr sy'n datblygu systemau awtomeiddio diwydiannol. Er enghraifft, и .
Yn gyntaf, gadewch i ni ddiffinio'r derminoleg: Ethernet Diwydiannol = rhwydwaith diwydiannol, Fieldbus = bws maes. Yn awtomeiddio diwydiannol Rwsia, mae dryswch o ran y bws maes a'r rhwydwaith diwydiannol lefel is. Yn aml, cyfunir y termau hyn yn un cysyniad amwys o'r enw "lefel is", y cyfeirir ato fel bws maes a bws is-lefel, er efallai nad yw'n fws o gwbl.
Pam fellyMae'r dryswch hwn yn fwyaf tebygol oherwydd y ffaith bod cysylltiad modiwlau I / O yn aml yn cael ei weithredu gan ddefnyddio awyren gefn neu fws corfforol mewn llawer o reolwyr modern. Hynny yw, defnyddir rhai cysylltiadau bws a chysylltwyr i gyfuno sawl modiwl yn un uned. Ond gall nodau o'r fath, yn eu tro, gael eu rhyng-gysylltu gan rwydwaith diwydiannol a bws maes. Yn nherminoleg y Gorllewin mae rhaniad clir: rhwydwaith yw rhwydwaith, bws yw bws. Mae'r cyntaf wedi'i ddynodi gan y term Ethernet Diwydiannol, a'r ail gan Fieldbus. Mae'r erthygl yn cynnig defnyddio'r term “rhwydwaith diwydiannol” a'r term “bws maes” ar gyfer y cysyniadau hyn, yn y drefn honno.
Safon rhwydwaith diwydiannol EtherCAT, a ddatblygwyd gan Beckhoff
Efallai mai protocol a rhwydwaith diwydiannol EtherCAT yw un o'r dulliau cyflymaf o drosglwyddo data mewn systemau awtomeiddio heddiw. Defnyddir rhwydwaith EtherCAT yn llwyddiannus mewn systemau awtomeiddio gwasgaredig, lle mae nodau rhyngweithio yn cael eu gwahanu dros bellteroedd hir.
Mae protocol EtherCAT yn defnyddio fframiau Ethernet safonol i drosglwyddo ei delegramau, felly mae'n parhau i fod yn gydnaws ag unrhyw offer Ethernet safonol ac, mewn gwirionedd, gellir trefnu derbyn a throsglwyddo data ar unrhyw reolwr Ethernet, ar yr amod bod y feddalwedd briodol ar gael.
Rheolydd Beckhoff gyda set o fodiwlau I/O. Ffynhonnell:
Mae manyleb y protocol yn agored ac ar gael, ond dim ond o fewn fframwaith y gymdeithas ddatblygu - EtherCAT Technology Group.
Dyma sut mae EtherCAT yn gweithio (mae'r olygfa yn syfrdanol, fel y gêm Zuma Inca):
Mae'r cyflymder cyfnewid uchel yn y protocol hwn - a gallwn siarad am unedau microseconds - yn cael ei wireddu oherwydd y ffaith bod y datblygwyr wedi gwrthod cyfnewid gan ddefnyddio telegramau a anfonwyd yn uniongyrchol i ddyfais benodol. Yn lle hynny, mae un telegram yn cael ei anfon i rwydwaith EtherCAT, wedi'i gyfeirio at bob dyfais ar yr un pryd, mae pob un o'r nodau caethweision ar gyfer casglu a throsglwyddo gwybodaeth (fe'u gelwir yn aml hefyd yn OSO - dyfais cyfathrebu gwrthrych) yn cymryd ohono “ar y hedfan” y data a fwriadwyd ar ei gyfer ac yn mewnosod mewn telegram y data y mae'n barod i'w darparu i'w cyfnewid. Yna mae'r telegram yn cael ei anfon i'r nod caethweision nesaf, lle mae'r un llawdriniaeth yn digwydd. Ar ôl pasio trwy'r holl ddyfeisiau rheoli, dychwelir y telegram i'r prif reolwr, sydd, yn seiliedig ar y data a dderbyniwyd o'r dyfeisiau caethweision, yn gweithredu'r rhesymeg reoli, gan ryngweithio eto trwy'r telegram gyda'r nodau caethweision, sy'n rhoi signal rheoli i yr offer.
Gall rhwydwaith EtherCAT gael unrhyw dopoleg, ond yn ei hanfod bydd bob amser yn gylch - oherwydd y defnydd o fodd deublyg llawn a dau gysylltydd Ethernet. Yn y modd hwn, bydd y telegram bob amser yn cael ei drosglwyddo yn olynol i bob dyfais ar y bws.
Cynrychiolaeth sgematig o rwydwaith Ethercat gyda nodau lluosog. Ffynhonnell:
Gyda llaw, nid yw manyleb EtherCAT yn cynnwys cyfyngiadau ar yr haen gorfforol 100Base-TX, felly mae gweithredu'r protocol yn bosibl yn seiliedig ar gigabit a llinellau optegol.
Rhwydweithiau diwydiannol agored a safonau PROFIBUS/NET gan Siemens
Mae pryder yr Almaen Siemens wedi bod yn adnabyddus ers amser maith am ei reolwyr rhesymeg rhaglenadwy (PLCs), a ddefnyddir ledled y byd.
Mae cyfnewid data rhwng nodau system awtomataidd a reolir gan offer Siemens yn cael ei wneud trwy fws maes o'r enw PROFIBUS ac yn rhwydwaith diwydiannol PROFINET.
Mae'r bws PROFIBUS yn defnyddio cebl dau graidd arbennig gyda chysylltwyr DB-9. Mae gan Siemens ef mewn porffor, ond rydym wedi gweld eraill yn ymarferol :). I gysylltu nodau lluosog, gall cysylltydd gysylltu dau gebl. Mae ganddo hefyd switsh ar gyfer y gwrthydd terfynell. Rhaid troi'r gwrthydd terfynell ymlaen ar ddyfeisiau diwedd y rhwydwaith, gan ddangos felly mai dyma'r ddyfais gyntaf neu'r olaf, ac ar ôl hynny nid oes dim, dim ond tywyllwch a gwacter (mae pob rs485 yn gweithio fel hyn). Os byddwch chi'n troi gwrthydd ymlaen ar y cysylltydd canolradd, bydd yr adran sy'n ei ddilyn yn cael ei ddiffodd.
Cebl PROFIBUS gyda chysylltwyr cysylltu. Ffynhonnell:
Mae rhwydwaith PROFINET yn defnyddio cebl pâr dirdro analog, fel arfer gyda chysylltwyr RJ-45, mae'r cebl wedi'i liwio'n wyrdd. Os mai bws yw topoleg PROFIBUS, yna gall topoleg rhwydwaith PROFINET fod yn unrhyw beth: modrwy, seren, coeden, neu bopeth gyda'i gilydd.
Rheolydd Siemens gyda chebl PROFINET cysylltiedig. Ffynhonnell: w3.siemens.com
Mae sawl protocol cyfathrebu ar fws PROFIBUS ac yn rhwydwaith PROFINET.
Ar gyfer PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - mae gweithredu'r protocol hwn yn cynnwys cyfathrebu â dyfeisiau caethweision o bell; yn achos PROFINET, mae'r protocol hwn yn cyfateb i brotocol PROFINET IO.
- Mae PROFIBUS PA yn ei hanfod yr un peth â PROFIBUS DP, a ddefnyddir yn unig ar gyfer fersiynau atal ffrwydrad o drosglwyddo data a chyflenwad pŵer (sy'n cyfateb i PROFIBUS DP gyda gwahanol briodweddau ffisegol). Ar gyfer PROFINET, nid yw protocol atal ffrwydrad tebyg i PROFIBUS yn bodoli eto.
- PROFIBUS FMS - wedi'i gynllunio ar gyfer cyfnewid data gyda systemau gan weithgynhyrchwyr eraill na allant ddefnyddio PROFIBUS DP. Yr analog PROFIBUS FMS yn rhwydwaith PROFINET yw protocol PROFINET CBA.
Ar gyfer PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Rhennir protocol PROFINET IO yn sawl dosbarth:
- PROFINET NRT (heb fod yn amser real) - a ddefnyddir mewn cymwysiadau lle nad yw paramedrau amseru yn hollbwysig. Mae'n defnyddio protocol trosglwyddo data Ethernet TCP/IP yn ogystal â CDU/IP.
- PROFINET RT (amser real) - yma mae cyfnewid data I/O yn cael ei weithredu gan ddefnyddio fframiau Ethernet, ond mae data diagnostig a chyfathrebu yn dal i gael eu trosglwyddo trwy CDU/IP.
- PROFINET IRT (Amser Real Isochronous) - Datblygwyd y protocol hwn yn benodol ar gyfer cymwysiadau rheoli symudiadau ac mae'n cynnwys cyfnod trosglwyddo data isochronous.
O ran gweithredu protocol amser real caled PROFINET IRT, ar gyfer cyfathrebu â dyfeisiau anghysbell mae'n gwahaniaethu dwy sianel gyfnewid: isochronous ac asyncronig. Mae sianel isochronous gyda hyd cylch cyfnewid sefydlog yn defnyddio cydamseru cloc ac yn trosglwyddo data amser-gritigol; defnyddir telegramau ail lefel ar gyfer trosglwyddo. Nid yw hyd y trosglwyddiad mewn sianel isochronous yn fwy nag 1 milieiliad.
Mae'r sianel asyncronig yn trosglwyddo data amser real fel y'i gelwir, sy'n cael sylw hefyd trwy gyfeiriad MAC. Yn ogystal, trosglwyddir gwybodaeth ddiagnostig ac ategol amrywiol dros TCP/IP. Ni all data amser real, llawer llai o wybodaeth arall, wrth gwrs, dorri ar draws y cylch isochronous.
Nid oes angen y set estynedig o swyddogaethau PROFINET IO ar gyfer pob system awtomeiddio diwydiannol, felly mae'r protocol hwn wedi'i raddio ar gyfer prosiect penodol, gan ystyried dosbarthiadau cydymffurfio neu ddosbarthiadau cydymffurfio: CC-A, CC-B, CC-CC. Mae dosbarthiadau cydymffurfio yn caniatáu ichi ddewis dyfeisiau maes a chydrannau asgwrn cefn gyda'r ymarferoldeb gofynnol.
Ffynhonnell:
Defnyddir yr ail brotocol cyfnewid yn y rhwydwaith PROFINET - PROFINET CBA - i drefnu cyfathrebu diwydiannol rhwng offer gan weithgynhyrchwyr gwahanol. Y brif uned gynhyrchu mewn systemau IAS yw endid penodol a elwir yn gydran. Mae'r gydran hon fel arfer yn gasgliad o rannau mecanyddol, trydanol ac electronig dyfais neu osodiad, yn ogystal â meddalwedd cymhwysiad cysylltiedig. Ar gyfer pob cydran, dewisir modiwl meddalwedd sy'n cynnwys disgrifiad cyflawn o ryngwyneb y gydran hon yn unol â gofynion safon PROFINET. Ar ôl hynny, defnyddir y modiwlau meddalwedd hyn i gyfnewid data â dyfeisiau.
Protocol Ethernet POWERLINK B&R
Datblygwyd protocol Powerlink gan y cwmni o Awstria B&R yn y 2000au cynnar. Mae hwn yn weithrediad arall o brotocol amser real ar ben y safon Ethernet. Mae manyleb y protocol ar gael ac yn cael ei ddosbarthu'n rhydd.
Mae technoleg Powerlink yn defnyddio mecanwaith pleidleisio cymysg fel y'i gelwir, pan fydd yr holl ryngweithio rhwng dyfeisiau wedi'i rannu'n sawl cam. Mae data arbennig o feirniadol yn cael ei drosglwyddo yn y cyfnod cyfnewid isochronous, y mae'r amser ymateb gofynnol wedi'i ffurfweddu ar ei gyfer; bydd y data sy'n weddill yn cael ei drosglwyddo, pryd bynnag y bo modd, yn y cyfnod asyncronig.
Rheolydd B&R gyda set o fodiwlau I/O. Ffynhonnell: br-automation.com
Gweithredwyd y protocol yn wreiddiol ar ben haen gorfforol 100Base-TX, ond yn ddiweddarach datblygwyd gweithrediad gigabit.
Mae protocol Powerlink yn defnyddio mecanwaith amserlennu cyfathrebu. Anfonir marciwr neu neges reoli benodol i'r rhwydwaith, a gyda chymorth y pennir pa rai o'r dyfeisiau sydd â chaniatâd i gyfnewid data ar hyn o bryd. Dim ond un ddyfais all gael mynediad i'r gyfnewidfa ar y tro.
Cynrychiolaeth sgematig o rwydwaith Ethernet POWERLINK gyda nodau lluosog.
Yn y cyfnod isochronous, mae'r rheolwr pleidleisio yn anfon cais yn olynol i bob nod y mae angen iddo dderbyn data critigol ohono.
Mae'r cyfnod isochronous yn cael ei berfformio, fel y crybwyllwyd eisoes, gydag amser beicio addasadwy. Yng nghyfnod asyncronig y cyfnewid, defnyddir y pentwr protocol IP, mae'r rheolwr yn gofyn am ddata nad yw'n hanfodol o bob nod, sy'n anfon ymateb wrth iddynt gael mynediad i drosglwyddo i'r rhwydwaith. Gellir addasu'r gymhareb amser rhwng y cyfnodau isochronous ac asyncronig â llaw.
Protocol Ethernet/IP Automation Rockwell
Datblygwyd y protocol EtherNet/IP gyda chyfranogiad gweithredol y cwmni Americanaidd Rockwell Automation yn 2000. Mae'n defnyddio stac IP TCP a CDU, ac yn ei ymestyn ar gyfer cymwysiadau awtomeiddio diwydiannol. Nid yw ail ran yr enw, yn groes i gred boblogaidd, yn golygu Protocol Rhyngrwyd, ond Protocol Diwydiannol. Mae CDU IP yn defnyddio pentwr cyfathrebu CIP (Protocol Rhyngwyneb Cyffredin), a ddefnyddir hefyd mewn rhwydweithiau ControlNet/DeviceNet ac a weithredir ar ben TCP/IP.
Mae'r fanyleb Ethernet/IP ar gael i'r cyhoedd ac ar gael am ddim. Gall topoleg rhwydwaith Ethernet/IP fod yn fympwyol a chynnwys modrwy, seren, coeden neu fws.
Yn ogystal â swyddogaethau safonol y protocolau HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, mae'n gweithredu trosglwyddiad data amser-gritigol rhwng y rheolydd pleidleisio a dyfeisiau I/O. Darperir trosglwyddiad data nad yw'n amser-gritigol gan becynnau TCP, a chyflawnir data rheoli cylchol sy'n hanfodol o ran amser trwy brotocol y CDU.
I gydamseru amser mewn systemau dosbarthedig, mae EtherNet/IP yn defnyddio'r protocol CIPsync, sy'n estyniad o brotocol cyfathrebu CIP.
Cynrychiolaeth sgematig o rwydwaith Ethernet/IP gyda sawl nod a chysylltiad dyfeisiau Modbus. Ffynhonnell:
Er mwyn symleiddio gosodiad rhwydwaith EtherNet/IP, daw'r rhan fwyaf o ddyfeisiau awtomeiddio safonol gyda ffeiliau cyfluniad wedi'u diffinio ymlaen llaw.
Gweithredu protocol FBUS yn Fastwel
Buom yn meddwl am amser hir a ddylid cynnwys y cwmni Rwsiaidd Fastwel yn y rhestr hon gyda'i weithrediad domestig o brotocol diwydiannol FBUS, ond yna penderfynasom ysgrifennu cwpl o baragraffau i gael gwell dealltwriaeth o realiti amnewid mewnforion.
Mae dau weithrediad ffisegol o FBUS. Mae un ohonynt yn fws lle mae protocol FBUS yn rhedeg ar ben safon RS485. Yn ogystal, mae FBUS yn cael ei weithredu mewn rhwydwaith Ethernet diwydiannol.
Go brin y gellir galw FBUS yn brotocol cyflym; mae'r amser ymateb yn dibynnu'n gryf ar nifer y modiwlau I / O ar y bws ac ar y paramedrau cyfnewid; fel arfer mae'n amrywio o 0,5 i 10 milieiliad. Gall un nod caethweision FBUS gynnwys 64 modiwl I/O yn unig. Ar gyfer bws maes, ni all hyd y cebl fod yn fwy na 1 metr, felly nid ydym yn sôn am systemau dosbarthedig. Neu yn hytrach, mae'n gwneud hynny, ond dim ond wrth ddefnyddio rhwydwaith FBUS diwydiannol dros TCP / IP, sy'n golygu cynnydd mewn amser pleidleisio sawl gwaith. Gellir defnyddio cortynnau estyn bws i gysylltu modiwlau, sy'n caniatáu lleoli modiwlau'n gyfleus yn y cabinet awtomeiddio.
Rheolydd Fastwel gyda modiwlau I/O cysylltiedig. Ffynhonnell:
Cyfanswm: sut mae hyn i gyd yn cael ei ddefnyddio'n ymarferol mewn systemau rheoli prosesau awtomataidd
Yn naturiol, mae'r amrywiaeth o fathau o brotocolau trosglwyddo data diwydiannol modern yn llawer mwy na'r hyn a ddisgrifiwyd gennym yn yr erthygl hon. Mae rhai yn gysylltiedig â gwneuthurwr penodol, mae rhai, i'r gwrthwyneb, yn gyffredinol. Wrth ddatblygu systemau rheoli prosesau awtomataidd (APCS), mae'r peiriannydd yn dewis y protocolau gorau posibl, gan ystyried tasgau a chyfyngiadau penodol (technegol a chyllidebol).
Os byddwn yn siarad am nifer yr achosion o brotocol cyfnewid penodol, gallwn ddarparu diagram o'r cwmni Rhwydweithiau HMS AB, sy'n dangos cyfrannau'r farchnad o wahanol dechnolegau cyfnewid mewn rhwydweithiau diwydiannol.
Ffynhonnell:
Fel y gwelir yn y diagram, mae PRONET a PROFIBUS o Siemens yn y safleoedd arweiniol.
Yn ddiddorol, 6 mlynedd yn ôl .
Mae'r tabl isod yn cynnwys data cryno ar y protocolau cyfnewid a ddisgrifir. Mae rhai paramedrau, er enghraifft, perfformiad, yn cael eu mynegi mewn termau haniaethol: uchel / isel. Gellir dod o hyd i gyfwerthau rhifiadol mewn erthyglau dadansoddi perfformiad.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Haen gorfforol
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Lefel data
|
Sianel (fframiau Ethernet)
|
Sianel (fframiau Ethernet)
|
Sianel (fframiau Ethernet), Rhwydwaith / trafnidiaeth (TCP / IP)
|
Rhwydwaith/Trafnidiaeth(TCP/IP)
|
Rhwydwaith/Trafnidiaeth(TCP/IP)
|
|
Cefnogaeth amser real
|
Oes
|
Oes
|
Oes
|
Oes
|
Dim
|
|
Cynhyrchiant
|
Uchel
|
Uchel
|
IRT – uchel, RT – canolig
|
Cyfartaledd
|
Isel
|
|
Hyd cebl rhwng nodau
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Cyfnodau trosglwyddo
|
Dim
|
Isocronaidd + asynchronous
|
IRT – isochronous + asyncronaidd, RT – asyncronaidd
|
Dim
|
Dim
|
|
Nifer y nodau
|
65535
|
240
|
Cyfyngiad Rhwydwaith TCP/IP
|
Cyfyngiad Rhwydwaith TCP/IP
|
Cyfyngiad Rhwydwaith TCP/IP
|
|
Datrys gwrthdrawiad
|
Topoleg cylch
|
Cydamseru cloc, cyfnodau trosglwyddo
|
Topoleg cylch, cyfnodau trosglwyddo
|
Switsys, topoleg seren
|
Switsys, topoleg seren
|
|
Cyfnewid poeth
|
Dim
|
Oes
|
Oes
|
Oes
|
Yn dibynnu ar y gweithredu
|
|
Cost offer
|
Isel
|
Isel
|
Uchel
|
Cyfartaledd
|
Isel
|
Mae meysydd cymhwyso'r protocolau cyfnewid a ddisgrifir, bysiau maes a rhwydweithiau diwydiannol yn amrywiol iawn. O'r diwydiannau cemegol a modurol i dechnoleg awyrofod a gweithgynhyrchu electroneg. Mae galw mawr am brotocolau cyfnewid cyflym mewn systemau lleoli amser real ar gyfer dyfeisiau amrywiol ac mewn roboteg.
Pa brotocolau wnaethoch chi weithio gyda nhw a ble wnaethoch chi eu cymhwyso? Rhannwch eich profiad yn y sylwadau. 🙂
Ffynhonnell: hab.com