haben wir erklärt, wie Busse und Protokolle in der industriellen Automatisierung funktionieren. Diesmal konzentrieren wir uns auf moderne Lösungen: Lassen Sie uns anschauen, welche Protokolle weltweit in Systemen eingesetzt werden. Wir betrachten die Technologien der deutschen Unternehmen Beckhoff und Siemens, des österreichischen Unternehmens B&R, der amerikanischen Rockwell Automation und des russischen Unternehmens Fastwel. Zudem werden wir universelle Lösungen untersuchen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN.
Am Ende des Artikels wird eine Vergleichstabelle mit den Eigenschaften der Protokolle EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP und ModbusTCP stehen.
Wir haben die Protokolle PRP, HSR, OPC UA und andere nicht in die Übersicht aufgenommen, da es dazu bereits hervorragende Artikel unserer Ingenieurskollegen auf Habr gibt, die sich mit der Entwicklung von Prozessen in der Automatisierungstechnik beschäftigen. Zum Beispiel und .
Zu Beginn definieren wir die Terminologie: Industrial Ethernet = industrielle Netzwerk, Fieldbus = Feldbus. In der russischen Prozessautomatisierung kommt es häufig zu Verwirrungen bei den Begriffen, die sich auf den Feldbus und das industrielle Netzwerk der unteren Ebene beziehen. Oft werden diese Begriffe zu einem unscharfen Begriff „untere Ebene“ zusammengefasst, der sowohl als Feldbus als auch als Bus der unteren Ebene bezeichnet wird, obwohl es sich dabei auch um keinen Bus handeln könnte.
Warum ist das so?Diese Verwirrung hängt wahrscheinlich damit zusammen, dass in vielen modernen Controllern die Verbindung von Ein- und Ausgangsmodulen oft über eine Rückwandplatine (engl. backplane) oder einen physischen Bus realisiert wird. Das bedeutet, dass bestimmte Buskontakte und -anschlüsse verwendet werden, um mehrere Module zu einem einzigen Knoten zusammenzuführen. Solche Knoten können wiederum sowohl mit einem industriellen Netzwerk als auch mit einem Feldbus verbunden sein. In der westlichen Terminologie gibt es eine klare Trennung: Ein Netzwerk ist ein Netzwerk, ein Bus ist ein Bus. Das erste wird mit dem Begriff Industrial Ethernet bezeichnet, das zweite mit Fieldbus. Im Artikel wird vorgeschlagen, diese Begriffe als „industrielles Netzwerk“ und „Feldbus“ entsprechend zu verwenden.
Der Standard des industriellen Netzwerks EtherCAT, entwickelt von Beckhoff
Das EtherCAT-Protokoll und das industrielle Netzwerk sind wohl eine der schnellsten Möglichkeiten zur Datenübertragung in Automatisierungssystemen. Das EtherCAT-Netzwerk wird erfolgreich in verteilten Automatisierungssystemen eingesetzt, wo die interagierenden Knoten über große Entfernungen verteilt sind.
Das EtherCAT-Protokoll nutzt standardisierte Ethernet-Frames zur Übertragung seiner Telegramme, sodass die Kompatibilität mit jeder standardmäßigen Ethernet-Hardware erhalten bleibt. Tatsächlich können Empfang und Übertragung von Daten auf jedem Ethernet-Controller organisiert werden, sofern die entsprechende Software vorhanden ist.
Beckhoff-Controller mit einem Satz von Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle:
Die Protokollspezifikation ist offen und zugänglich, jedoch nur im Rahmen der Entwicklungsassoziation – EtherCAT Technology Group.
So funktioniert EtherCAT (das Schauspiel ist beeindruckend, wie das Spiel Zuma Inca):
Die hohe Geschwindigkeit in diesem Protokoll – es kann um wenige Mikrosekunden gehen – wird dadurch erreicht, dass die Entwickler auf den direkten Austausch von Telegrammen mit einem bestimmten Gerät verzichtet haben. Stattdessen wird im EtherCAT-Netzwerk ein Telegramm gesendet, das gleichzeitig an alle Geräte adressiert ist. Jeder untergeordnete Informationssammlerknoten (auch häufig als UCO – Kommunikationsgerät mit einem Objekt bezeichnet) entnimmt „in Echtzeit“ die Daten, die für ihn bestimmt sind, und fügt die Daten, die er für den Austausch bereitstellen möchte, in das Telegramm ein. Danach wird das Telegramm an den nächsten untergeordneten Knoten gesendet, wo die gleiche Operation erfolgt. Nachdem das Telegramm alle UCOs durchlaufen hat, wird es an den Hauptcontroller zurückgesendet, der basierend auf den von den untergeordneten Geräten erhaltenen Daten die Steuerlogik umsetzt und wiederum über Telegramme mit den untergeordneten Knoten interagiert, die das Steuersignal an die Geräte ausgeben.
Das EtherCAT-Netzwerk kann jede Topologie haben, aber im Grunde wird es immer ein Ring sein – aufgrund der Verwendung des Vollduplexmodus und der zwei Ethernet-Anschlüsse. Daher wird das Telegramm immer nacheinander an jedes Gerät auf dem Bus übertragen.
Schemapräsentation des EtherCAT-Netzwerks mit mehreren Knoten. Quelle:
Übrigens enthält die EtherCAT-Spezifikation keine Einschränkungen auf physischer Ebene 100Base-TX, daher ist die Implementierung des Protokolls auch auf Gigabit- und Glasfaserleitungen möglich.
Offene industrielle Netzwerke und PROFIBUS/N »ET-Standards von Siemens
Der deutsche Konzern Siemens ist seit langem für seine speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bekannt, die weltweit eingesetzt werden.
Der Datenaustausch zwischen Knoten eines automatisierten Systems, das mit Siemens-Geräten betrieben wird, erfolgt sowohl über den Feldbus, der als PROFIBUS bezeichnet wird, als auch im industriellen Netzwerk PROFINET.
Der PROFIBUS-Bus verwendet ein spezielles Zweidrahtkabel mit DB-9-Anschlüssen. Bei Siemens ist es lila, aber wir haben in der Praxis auch andere Farben gesehen :). Um mehrere Knoten zu verbinden, kann der Anschluss zwei Kabel verbinden. Außerdem gibt es einen Schalter für den Abschlusswiderstand. Der Abschlusswiderstand muss an den Endgeräten des Netzwerks aktiviert sein, um anzuzeigen, dass dies das erste oder letzte Gerät ist und dass nach ihm nur Dunkelheit und Leere folgen (alle RS485 funktionieren so). Wenn man an einem Zwischenanschluss den Widerstand aktiviert, wird der darauf folgende Abschnitt deaktiviert.
PROFIBUS-Kabel mit Anschlusssteckern. Quelle:
Im PROFINET-Netzwerk wird eine ähnliche verdrillte Leitung verwendet, in der Regel mit RJ-45-Steckern, das Kabel ist grün. Während die PROFIBUS-Topologie als Bus angesehen wird, kann die Topologie des PROFINET-Netzes alles darstellen: egal ob Ring, Stern, Baum oder eine Kombination aus allem.
Siemens-Controller mit angeschlossenem PROFINET-Kabel. Quelle: w3.siemens.com
Es gibt mehrere Kommunikationsprotokolle für den PROFIBUS-Bus und das PROFINET-Netzwerk.
Für PROFIBUS:
- PROFIBUS DP — die Implementierung dieses Protokolls sieht die Kommunikation mit entfernten Master-Geräten vor, das entsprechende Protokoll für PROFINET ist PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — ist im Grunde das gleiche wie PROFIBUS DP, wird jedoch für explosionsgeschützte Datenübertragungen und -versorgungen verwendet (ähnlich PROFIBUS DP mit anderen physikalischen Eigenschaften). Für PROFINET gibt es bisher kein explosionsgeschütztes Protokoll, das dem PROFIBUS entspricht.
- PROFIBUS FMS — ist für den Datenaustausch mit Systemen anderer Hersteller gedacht, die PROFIBUS DP nicht verwenden können. Das Pendant von PROFIBUS FMS im PROFINET-Netzwerk ist das Protokoll PROFINET CBA.
Für PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Das PROFINET IO-Protokoll wird in mehrere Klassen unterteilt:
- PROFINET NRT (ohne Echtzeit) wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen zeitliche Parameter nicht entscheidend sind. Es verwendet das Übertragungsprotokoll Ethernet TCP/IP sowie UDP/IP.
- PROFINET RT (Echtzeit) – hierbei erfolgt der Austausch von Ein- und Ausgabedaten mithilfe von Ethernet-Frames, jedoch werden Diagnosedaten und Kommunikationsdaten weiterhin über UDP/IP übertragen.
- PROFINET IRT (isokronische Echtzeit) – dieses Protokoll wurde speziell für Anwendungen in der Bewegungssteuerung entwickelt und umfasst eine isokronische Phase der Datenübertragung.
Bezüglich der Implementierung des strengen Echtzeitprotokolls PROFINET IRT werden für die Kommunikation mit entfernten Geräten zwei Austauschkanäle выделены: isochron und asynchron. Der isochrone Kanal mit einer fixen Zyklusdauer nutzt eine Takt-Synchronisation und überträgt zeitkritische Daten, wobei Telegramme der zweiten Ebene verwendet werden. Die Übertragungsdauer im isochronen Kanal überschreitet 1 Millisekunde nicht.
Im asynchronen Kanal werden sogenannte Echtzeitdaten übertragen, die ebenfalls über eine MAC-Adresse adressiert werden. Zusätzlich werden verschiedene Diagnose- und Hilfsinformationen schon über TCP/IP übertragen. Weder die Echtzeitdaten noch andere Informationen dürfen selbstverständlich den isochronen Zyklus unterbrechen.
Ein erweitertes Funktionsset von PROFINET IO ist nicht für jedes System der industriellen Automatisierung erforderlich, daher wird dieses Protokoll an das spezifische Projekt angepasst, unter Berücksichtigung der Konformitätsklassen oder Anwendungsarten (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Die Konformitätsklassen ermöglichen die Auswahl von Feldgeräten und Bustypen mit minimal notwendigen Funktionen.
Quelle:
Das zweite Kommunikationsprotokoll im PROFINET-Netzwerk — PROFINET CBA — dient der industriellen Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Die grundlegende Produktionseinheit in den CBA-Systemen ist eine bestimmte Entität, die als Komponente bezeichnet wird. Diese Komponente stellt normalerweise eine Kombination aus mechanischen, elektrischen und elektronischen Teilen eines Geräts oder einer Anlage sowie die entsprechende Anwendungssoftware dar. Für jede Komponente wird ein Softwaremodul ausgewählt, das die vollständige Beschreibung der Schnittstelle dieser Komponente gemäß den Anforderungen des PROFINET-Standards enthält. Diese Softwaremodule werden dann zum Austausch von Daten mit Geräten verwendet.
Ethernet POWERLINK-Protokoll von B&R
Das Powerlink-Protokoll wurde Anfang der 2000er Jahre von dem österreichischen Unternehmen B&R entwickelt. Es handelt sich um eine weitere Realisierung eines Echtzeitprotokolls auf Basis des Ethernet-Standards. Die Spezifikation des Protokolls ist frei zugänglich und wird unentgeltlich verteilt.
In der Powerlink-Technologie wird ein Mechanismus des sogenannten gemischten Abfragens angewendet, bei dem die gesamte Interaktion zwischen den Geräten in mehrere Phasen unterteilt ist. Besonders kritische Daten werden in der isochronen Austauschphase übertragen, für die eine erforderliche Reaktionszeit konfiguriert wird, während andere Daten nach Möglichkeit in der asynchronen Phase übertragen werden.
B&R-Controller mit einem Satz von Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle: br-automation.com
Ursprünglich wurde das Protokoll über der physikalischen Ebene 100Base-TX implementiert, später wurde jedoch auch eine Gigabit-Implementierung entwickelt.
Im Powerlink-Protokoll wird ein Mechanismus zur Planung des Austausches verwendet. Ein gewisser Marker oder Steuerungsnachricht wird in das Netzwerk gesendet, mit dessen Hilfe bestimmt wird, welches Gerät momentan das Recht hat, Daten auszutauschen. Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Gerät auf den Austausch zugreifen.
Schematische Darstellung eines Ethernet POWERLINK-Netzwerks mit mehreren Knoten.
In der isochronen Phase sendet der abfragende Controller nacheinander eine Anfrage an jeden Knoten, von dem kritische Daten abgerufen werden müssen.
Die isochrone Phase wird, wie bereits erwähnt, mit einer einstellbaren Zykluszeit durchgeführt. In der asynchronen Austauschphase wird das IP-Protokoll-Stack verwendet, der Controller fragt nicht kritische Daten von allen Knoten ab, die eine Antwort senden, sobald sie Zugang zur Netzwerkübertragung erhalten. Das Zeitverhältnis zwischen isochronen und asynchronen Phasen kann manuell eingestellt werden.
Ethernet/IP-Protokoll von Rockwell Automation
Das EtherNet/IP-Protokoll wurde mit aktiver Beteiligung des amerikanischen Unternehmens Rockwell Automation im Jahr 2000 entwickelt. Es nutzt das TCP/IP- und UDP-Protokoll-Stack und erweitert es für die Anwendung in der industriellen Automatisierung. Der zweite Teil des Namens bedeutet entgegen der weit verbreiteten Meinung nicht Internet Protocol, sondern Industrial Protocol. UDP/IP verwendet den Kommunikations-Stack des CIP-Protokolls (Common Interface Protocol), das auch in ControlNet/DeviceNet-Netzwerken verwendet wird und auf TCP/IP umgesetzt ist.
Die EtherNet/IP-Spezifikation ist öffentlich zugänglich und wird kostenlos verbreitet. Die Ethernet/IP-Netzwerktopologie kann beliebig sein und Ringen, Sternen, Bäumen oder Bussen umfassen.
Neben den Standardfunktionen der Protokolle HTTP, FTP, SMTP realisiert EtherNet/IP die Übertragung von zeitkritischen Daten zwischen dem abfragenden Controller und den Ein-/Ausgabegeräten. Die Übertragung von nicht zeitkritischen Daten erfolgt über TCP-Pakete, während die zeitkritische Lieferung von zyklischen Steuerdaten über das UDP-Protokoll erfolgt.
Für die Zeitsynchronisation in verteilten Systemen verwendet EtherNet/IP das Protokoll CIPsync, welches eine Erweiterung des Kommunikationsprotokolls CIP ist.
Schematische Darstellung eines Ethernet/IP-Netzwerks mit mehreren Knoten und der Anbindung von Modbus-Geräten. Quelle:
Zur Vereinfachung der Netzwerkkonfiguration verfügen die meisten Standardautomatisierungsgeräte über im Voraus definierte Konfigurationsdateien.
Implementierung des FBUS-Protokolls bei Fastwel
Wir haben lange überlegt, ob wir das russische Unternehmen Fastwel mit seiner inländischen Implementierung des industriellen FBUS-Protokolls in diese Liste aufnehmen sollen, haben uns aber schließlich entschieden, ein paar Absätze für ein besseres Verständnis der Realitäten der Importsubstitution zu schreiben.
Es gibt zwei physische Implementierungen von FBUS. Eine davon ist ein Bus, in dem das FBUS-Protokoll über dem Standard RS485 arbeitet. Darüber hinaus gibt es eine Umsetzung von FBUS im industriellen Ethernet-Netzwerk.
FBUS ist schwer als ein schnelles Protokoll zu bezeichnen, da die Antwortzeit stark von der Anzahl der Ein- und Ausgangsmodule auf dem Bus und den Austauschparametern abhängt. Sie schwankt normalerweise zwischen 0,5 und 10 Millisekunden. Ein FBUS-Slave kann nur 64 Ein- und Ausgangsmodule enthalten. Für einen Feldbus darf die Kabellänge 1 Meter nicht überschreiten, daher ist von verteilten Systemen nicht die Rede. Verwendet man jedoch ein Industrie-FBUS-Netz über TCP/IP, erhöht sich die Abfragezeit erheblich. Für den Anschluss von Modulen können Busverlängerungen verwendet werden, was eine bequeme Anordnung der Module im Automatisierungsschrank ermöglicht.
Fastwel-Controller mit angeschlossenen Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle:
Zusammenfassend: Wie wird dies alles in der Praxis in der Automatisierungstechnik verwendet
Natürlich ist die Vielfalt der modernen industriellen Datenübertragungsprotokolle deutlich größer als in diesem Artikel beschrieben. Einige sind an bestimmte Hersteller gebunden, andere hingegen sind universell. Bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen für technologische Prozesse wählt der Ingenieur die optimalen Protokolle unter Berücksichtigung der spezifischen Aufgaben und Einschränkungen (technische und budgetäre) aus.
Wenn man über die Verbreitung eines bestimmten Kommunikationsprotokolls spricht, kann man das Diagramm des Unternehmens HMS Networks AB, das die Marktanteile verschiedener Austauschtechnologien in industriellen Netzwerken veranschaulicht.
Quelle:
Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind PRONET und PROFIBUS von Siemens führend.
Interessanterweise hatten vor 6 Jahren .
In der folgenden Tabelle sind zusammenfassende Daten zu den beschriebenen Austauschprotokollen aufgeführt. Einige Parameter, wie z.B. die Leistung, sind abstrakt ausgedrückt: hoch / niedrig. Numerische Äquivalente sind in Artikeln zur Leistungsanalyse zu finden.
| EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Physikalische Schicht | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Datenübertragungsebene | Sicherungsebene (Ethernet-Frames) | Sicherungsebene (Ethernet-Frames) | Sicherungsebene (Ethernet-Frames), Netzwerk-/Transporteebene (TCP/IP) | Netzwerk-/Transporteebene (TCP/IP) | Netzwerk-/Transporteebene (TCP/IP) |
Echtzeitsupport | Ja | Ja | Ja | Ja | Nein |
Leistung | Hoch | Hoch | IRT – hoch, RT – mittel | Mittel | Niedrig |
Kabellänge zwischen den Knoten | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Übertragungsphasen | Nein | Isochrone + asynchrone | IRT – isochron + asynchron, RT – asynchron | Nein | Nein |
Anzahl der Knoten | 65535 | 240 | TCP/IP-Netzwerkbeschränkung | TCP/IP-Netzwerkbeschränkung | TCP/IP-Netzwerkbeschränkung |
Einhaltung von Konflikten | Ringtopologie | Takt-Synchronisation, Übertragungsphasen | Ringtopologie, Übertragungsphasen | Switches, Stern-Topologie | Switches, Stern-Topologie |
Hot-Swap | Nein | Ja | Ja | Ja | Je nach Implementierung |
Kosten der Hardware | Niedrig | Niedrig | Hoch | Mittel | Niedrig |
Die Anwendungsbereiche der beschriebenen Austauschprotokolle, Feldbusse und industriellen Netzwerke sind sehr vielfältig. Sie reichen von der Chemie- und Automobilindustrie bis hin zu Raumfahrttechnologien und der Elektronikproduktion. Hochgeschwindigkeits-Austauschprotokolle sind in Systemen zur Echtzeit-Positionierung verschiedener Geräte und in der Robotik gefragt.
Welche Protokolle haben Sie verwendet und wo haben Sie sie angewendet? Teilen Sie Ihre Erfahrungen in den Kommentaren. 🙂
Quelle: habr.com
