haben wir erklärt, wie Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung funktionieren. Dieses Mal konzentrieren wir uns auf moderne Arbeitslösungen: Wir schauen uns an, welche Protokolle weltweit in Systemen verwendet werden. Dabei betrachten wir die Technologien der deutschen Unternehmen Beckhoff und Siemens, der österreichischen B&R, der amerikanischen Rockwell Automation und der russischen Fastwel. Außerdem untersuchen wir universelle Lösungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN.
Am Ende des Artikels finden Sie eine Vergleichstabelle mit den Eigenschaften der Protokolle EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP und ModbusTCP.
Wir haben die Protokolle PRP, HSR, OPC UA und andere nicht in die Übersicht aufgenommen, da es bereits ausgezeichnete Artikel unserer Ingenieurskollegen auf Habr gibt, die Systeme der Industrieautomation entwickeln. Zum Beispiel, und .
Lassen Sie uns zunächst die Terminologie festlegen: Industrial Ethernet = industrielle Netzwerk, Fieldbus = Feldbus. In der russischen industriellen Automatisierung kommt es oft zu Verwirrungen bezüglich der Begriffe, die sich auf Feldbus und industrielle Niedrignetzwerke beziehen. Häufig werden diese Begriffe zu einem unscharfen Konzept "Niedriglevel" zusammengefasst, das sowohl als Feldbus als auch als Niedrigbus bezeichnet wird, obwohl es sich dabei auch um keinen Bus handeln muss.
Warum ist das so?Solche Verwirrungen hängen wahrscheinlich damit zusammen, dass in vielen modernen Controllern die Verbindung von Eingangs- und Ausgangsmodulen häufig über einen Backplane oder eine physische Busverbindung realisiert wird. Das heißt, es werden bestimmte Buskontakte und -stecker verwendet, um mehrere Module zu einem einzigen Knoten zusammenzuführen. Diese Knoten können jedoch ihrerseits sowohl durch industrielle Netzwerke als auch durch Feldbusse miteinander verbunden werden. In der westlichen Terminologie gibt es eine klare Unterscheidung: ein Netzwerk ist ein Netzwerk, ein Bus ist ein Bus. Der erste wird als Industrial Ethernet bezeichnet, der zweite als Fieldbus. In dem Artikel wird vorgeschlagen, für diese Begriffe die Terminologie "industrielles Netzwerk" und "Feldbus" entsprechend zu verwenden.
Der EtherCAT-Standard ist ein Industrie-Netzwerk, das von Beckhoff entwickelt wurde.
EtherCAT ist ein Protokoll und Industrie-Netzwerk, das wahrscheinlich eine der schnellsten Methoden zur Datenübertragung in Automatisierungssystemen darstellt. Das EtherCAT-Netzwerk wird erfolgreich in verteilten Automatisierungssystemen eingesetzt, bei denen die interagierenden Knoten über große Entfernungen verteilt sind.
Das EtherCAT-Protokoll verwendet Standard-Ethernet-Frames für die Übertragung seiner Telegramme, wodurch die Kompatibilität mit jedem Standard-Ethernet-Gerät erhalten bleibt. Tatsächlich können Empfang und Datenübertragung auf jedem Ethernet-Controller organisiert werden, solange die entsprechende Software vorhanden ist.
Beckhoff-Controller mit einem Satz von Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle:
Die Protokollspezifikation ist offen und verfügbar, aber nur im Rahmen der Entwicklungsvereinigung — EtherCAT Technology Group.
So funktioniert EtherCAT (das Spektakel ist ebenso fesselnd wie das Spiel Zuma Inca):
Die hohe Austauschgeschwindigkeit in diesem Protokoll — es geht um Mikrosekunden — wird dadurch erreicht, dass die Entwickler auf den Austausch durch Telegramme verzichteten, die direkt an ein bestimmtes Gerät gesendet werden. Stattdessen wird ein einzelnes Telegramm über das EtherCAT-Netzwerk an alle Geräte gleichzeitig gesendet. Jedes der untergeordneten Informationssammler und -übertragungsgeräte (auch oft als UCOM — Kommunikationsgerät mit dem Objekt bezeichnet) entnimmt daraus „in Echtzeit“ die Daten, die für es bestimmt sind, und fügt die Daten, die es für den Austausch bereitstellen kann, in das Telegramm ein. Danach wird das Telegramm an den nächsten untergeordneten Knoten gesendet, wo dasselbe Verfahren erneut erfolgt. Nachdem das Telegramm alle UCOM durchlaufen hat, kehrt es zum Hauptcontroller zurück, der auf der Grundlage der erhaltenen Daten des untergeordneten Geräts die Steuerlogik realisiert, wiederum über Telegramme mit den untergeordneten Knoten interagiert, die das Steuerungssignal an die Ausrüstung ausgeben.
Das EtherCAT-Netzwerk kann jede Topologie haben, aber es wird immer ein Ring sein — aufgrund des Betriebs im Vollduplexmodus und der Verwendung von zwei Ethernet-Ports. So wird das Telegramm stets sequenziell an jedes Gerät auf dem Bus übertragen.
Schematische Darstellung des EtherCAT-Netzwerks mit mehreren Knoten. Quelle:
Übrigens enthält die EtherCAT-Spezifikation keine Einschränkungen auf physischer Ebene für 100Base-TX, weshalb die Implementierung des Protokolls auch auf Gigabit- und optischen Leitungen möglich ist.
Offene industrielle Netzwerke und PROFIBUS/NAT-Standards von Siemens
Der deutsche Konzern Siemens ist seit langem bekannt für seine programmierbaren Logiksteuerungen (PLCs), die weltweit eingesetzt werden.
Der Datenaustausch zwischen den Knoten eines automatisierten Systems, das von Siemens-Geräten gesteuert wird, erfolgt sowohl über den Feldbus, der als PROFIBUS bezeichnet wird, als auch über das industrielle Netzwerk PROFINET.
Der PROFIBUS verwendet ein spezielles zweidrahtiges Kabel mit DB-9 Anschlüssen. Bei Siemens ist es lila, aber in der Praxis haben wir auch andere Farben gesehen :). Um mehrere Knoten zu verbinden, kann der Anschluss zwei Kabel verbinden. Zudem gibt es einen Schalter für den Abschlusswiderstand. Der Abschlusswiderstand sollte an den Endgeräten des Netzwerks aktiviert sein, um anzuzeigen, dass dies das erste oder letzte Gerät ist und nach ihm nur Dunkelheit und Leere folgt (so funktioniert das ganze RS485). Wenn der Widerstand am Zwischenstecker aktiviert wird, wird der Abschnitt dahinter deaktiviert.
PROFIBUS-Kabel mit Anschlusssteckern. Quelle:
Im PROFINET-Netzwerk wird ein ähnliches Kabel verwendet wie bei Twisted-Pair, normalerweise mit RJ-45 Steckern und grünem Kabel. Während das PROFIBUS eine Bus-Topologie hat, kann die Topologie des PROFINET-Netzwerks alles darstellen: sei es ein Ring, ein Stern, ein Baum oder eine Kombination aus allem.
Siemens-Controller mit angeschlossenem PROFINET-Kabel. Quelle: w3.siemens.com
Es gibt mehrere Protokolle für den Austausch über den PROFIBUS und im PROFINET-Netzwerk.
Für PROFIBUS:
- PROFIBUS DP — die Implementierung dieses Protokolls ermöglicht die Kommunikation mit entfernten Slave-Geräten. Im Falle von PROFINET entspricht diesem Protokoll das Protokoll PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — ist im Grunde dasselbe wie PROFIBUS DP, wird jedoch für explosionsgeschützte Datenübertragungen und Stromversorgung verwendet (eine Version von PROFIBUS DP mit anderen physikalischen Eigenschaften). Für PROFINET gibt es bisher kein explosionsgeschütztes Protokoll, das dem von PROFIBUS entspricht.
- PROFIBUS FMS — ist für den Datenaustausch mit Systemen anderer Hersteller vorgesehen, die PROFIBUS DP nicht verwenden können. Das Pendant zu PROFIBUS FMS im PROFINET-Netzwerk ist das Protokoll PROFINET CBA.
Für PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Das Protokoll PROFINET IO ist in mehrere Klassen unterteilt:
- PROFINET NRT (Nicht-Echtzeit) — wird in Anwendungen verwendet, in denen zeitliche Parameter nicht kritisch sind. Hier wird das Ethernet TCP/IP-Datenübertragungsprotokoll sowie UDP/IP verwendet.
- PROFINET RT (Echtzeit) — hier erfolgt die Eingangs-/Ausgangsdatenübertragung mithilfe von Ethernet-Frames, aber die Diagnosedaten und Verbindungsdaten werden weiterhin über UDP/IP übertragen.
- PROFINET IRT (isochrone Echtzeit) – dieses Protokoll wurde speziell für Anwendungen in der Bewegungssteuerung entwickelt und umfasst eine isochrone Datenübertragungsphase.
Bei der Implementierung des PROFINET IRT harten Echtzeitprotokolls werden für die Kommunikation mit entfernten Geräten zwei Übertragungskanäle unterschieden: isochron und asynchron. Der isochrone Kanal mit einer festgelegten Zyklusdauer nutzt eine Takt-Synchronisation und überträgt zeitkritische Daten, wobei Telegramme der zweiten Ebene verwendet werden. Die Übertragungsdauer im isochronen Kanal überschreitet nicht 1 Millisekunde.
Im asynchronen Kanal werden die sogenannten Echtzeitdaten übertragen, die ebenfalls über MAC-Adressen adressiert werden. Darüber hinaus werden verschiedene diagnostische und unterstützende Informationen über TCP/IP übertragen. Weder die Echtzeitdaten noch andere Informationen dürfen natürlich den isochronen Zyklus unterbrechen.
Ein erweitertes PROFINET IO-Funktionsset ist nicht für jedes System der industriellen Automatisierung erforderlich, weshalb dieses Protokoll je nach spezifischem Projekt und unter Berücksichtigung der Konformitätsklassen oder Anwendungsarten (conformance classes) skaliert wird: CC-A, CC-B, CC-CC. Die Konformitätsklassen ermöglichen die Auswahl von Feldgeräten und Buskomponenten mit der minimal notwendigen Funktionalität.
Quelle:
Das zweite Austauschprotokoll im PROFINET-Netzwerk, PROFINET CBA, dient der Organisation der industriellen Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Die grundlegende Produktionseinheit in CBA-Systemen ist eine Entität, die als Komponente bezeichnet wird. Diese Komponente stellt in der Regel eine Kombination aus der mechanischen, elektrischen und elektronischen Teile des Geräts oder der Anlage sowie der entsprechenden Anwendungssoftware dar. Für jede Komponente wird ein Softwaremodul gewählt, das die vollständige Beschreibung der Schnittstelle dieser Komponente gemäß den Anforderungen des PROFINET-Standards enthält. Diese Softwaremodule werden dann zum Datenaustausch mit den Geräten verwendet.
Ethernet POWERLINK Protokoll von B&R
Das Powerlink-Protokoll wurde von dem österreichischen Unternehmen B&R Anfang der 2000er Jahre entwickelt. Es handelt sich um eine weitere Implementierung eines Echtzeitprotokolls über den Ethernet-Standard. Die Protokollspezifikation ist verfügbar und wird kostenlos verteilt.
In der Powerlink-Technologie kommt ein Mechanismus des sogenannten gemischten Abfragens zur Anwendung, bei dem die Interaktion zwischen den Geräten in mehrere Phasen aufgeteilt wird. Besonders kritische Daten werden in der isohronischen Austauschphase übertragen, für die die erforderliche Reaktionszeit eingestellt wird. Andere Daten werden nach Möglichkeit in der asynchronen Phase übertragen.
Der B&R-Controller mit einer Reihe von Eingangs-/Ausgangsmodulen. Quelle: br-automation.com
Ursprünglich wurde das Protokoll über der physikalischen Schicht 100Base-TX implementiert, aber später wurde auch eine Gigabit-Implementierung entwickelt.
Im Powerlink-Protokoll wird ein Mechanismus zur Planung des Austauschs verwendet. Ein gewisses Signal oder Steuerwort wird ins Netzwerk gesendet, um zu bestimmen, welches Gerät im Moment die Erlaubnis hat, Daten auszutauschen. Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Gerät auf den Austausch zugreifen.
Schematische Darstellung des Ethernet POWERLINK-Netzwerks mit mehreren Knoten.
In der isochronen Phase sendet der abfragende Controller nacheinander Anfragen an jeden Knoten, von dem kritische Daten benötigt werden.
Die isochrone Phase wird, wie bereits erwähnt, mit einer konfigurierbaren Zykluszeit durchgeführt. In der asynchronen Austauschphase wird der IP-Protokollstack verwendet, der Controller fragt nicht-kritische Daten von allen Knoten an, die ihre Antworten senden, sobald sie die Möglichkeit zur Datenübertragung ins Netzwerk erhalten. Das Zeitverhältnis zwischen isochronen und asynchronen Phasen kann manuell eingestellt werden.
Ethernet/IP-Protokoll von Rockwell Automation
Das EtherNet/IP-Protokoll wurde 2000 aktiv mit Unterstützung des amerikanischen Unternehmens Rockwell Automation entwickelt. Es nutzt den TCP- und UDP-Stack IP und erweitert diesen für die Anwendung in der industriellen Automatisierung. Der zweite Teil des Namens bedeutet, entgegen der weit verbreiteten Meinung, nicht Internetprotokoll, sondern Industrieprotokoll. UDP IP verwendet den Kommunikationsstack des Protokolls CIP (Common Interface Protocol), der auch in ControlNet-/DeviceNet-Netzen verwendet wird und auf TCP/IP implementiert ist.
Die EtherNet/IP-Spezifikation ist öffentlich und wird kostenlos verbreitet. Die Ethernet/IP-Netzwerktopologie kann beliebig sein und umfasst Ring-, Stern-, Baum- oder Bus-Topologien.
Neben den Standardfunktionen der Protokolle HTTP, FTP, SMTP ermöglicht EtherNet/IP die Übertragung zeitkritischer Daten zwischen dem abfragenden Controller und den Ein-/Ausgabegeräten. Die Übertragung nicht zeitkritischer Daten erfolgt über TCP-Pakete, während die zeitkritische Lieferung zyklischer Steuerdaten über das UDP-Protokoll erfolgt.
Für die Zeitsynchronisierung in verteilten Systemen verwendet EtherNet/IP das CIPsync-Protokoll, das eine Erweiterung des Kommunikationsprotokolls CIP ist.
Schematische Darstellung eines Ethernet/IP-Netzwerks mit mehreren Knoten und der Verbindung von Modbus-Geräten. Quelle:
Zur Vereinfachung der Netzwerkkonfiguration verfügen die meisten Standard-Automatisierungsgeräte über vordefinierte Konfigurationsdateien im Lieferumfang.
Implementierung des FBUS-Protokolls bei Fastwel
Wir haben lange darüber nachgedacht, ob wir das russische Unternehmen Fastwel mit seiner nationalen Umsetzung des industriellen Protokolls FBUS in diese Liste aufnehmen sollen, haben uns dann jedoch entschieden, ein paar Absätze für ein besseres Verständnis der Realität der Importsubstitution zu schreiben.
Es gibt zwei physische Implementierungen von FBUS. Eine davon ist ein Bus, in dem das Protokoll FBUS über dem Standard RS485 arbeitet. Es gibt auch eine FBUS-Implementierung in industriellen Ethernet-Netzen.
FBUS kann schwer als Hochgeschwindigkeitsprotokoll bezeichnet werden, da die Antwortzeit stark von der Anzahl der Ein- und Ausgangsmodule im Bus und den Austauschparametern abhängt. Normalerweise liegt sie im Bereich von 0,5 bis 10 Millisekunden. Ein FBUS-Slave kann nur 64 Ein- und Ausgangsmodule enthalten. Für den Feldbus darf die Kabellänge 1 Meter nicht überschreiten, weshalb verteilte Systeme hier nicht in Betracht kommen. Besser gesagt, es ist möglich, aber nur bei Verwendung des Industrie-FBUS über TCP/IP, was die Abfragezeit erheblich verlängert. Für den Anschluss der Module können Busverlängerungen verwendet werden, was eine bequeme Anordnung der Module im Automatisierungsschrank ermöglicht.
Der Fastwel-Controller mit angeschlossenen Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle:
Zusammenfassend: Wie wird all dies in der Automatisierungstechnik verwendet?
Naturgemäß ist die Vielfalt der modernen industriellen Datenübertragungsprotokolle viel größer, als wir in diesem Artikel beschrieben haben. Einige sind an spezifische Hersteller gebunden, während andere universell sind. Bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen für technische Prozesse wählt der Ingenieur die optimalen Protokolle unter Berücksichtigung spezifischer Aufgaben und Einschränkungen (technisch und budgetär).
Was die Verbreitung bestimmter Kommunikationsprotokolle betrifft, kann das Diagramm der Firma HMS Networks AB, das die Marktanteile verschiedener Austauschtechnologien in industriellen Netzwerken veranschaulicht.
Quelle:
Wie aus dem Diagramm hervorgeht, nehmen PRONET und PROFIBUS von Siemens die Führungspositionen ein.
Interessanterweise hatten vor 6 Jahren .
In der folgenden Tabelle sind die zusammenfassenden Daten der beschriebenen Austauschprotokolle zusammengestellt. Einige Parameter, wie die Leistung, werden in allgemeinen Begriffen ausgedrückt: hoch/niedrig. Numerische äquivalente Werte sind in Artikeln zur Leistungsanalyse zu finden.
| EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Physikalische Ebene | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Datenübertragungsrate | Linkschicht (Ethernet-Frames) | Linkschicht (Ethernet-Frames) | Linkschicht (Ethernet-Frames), Netzwerk/Transport (TCP/IP) | Netzwerk/Transport (TCP/IP) | Netzwerk/Transport (TCP/IP) |
Echtzeitunterstützung | Ja | Ja | Ja | Ja | Nein |
Leistung | Hoch | Hoch | IRT – hoch, RT – mittel | Mittel | Niedrig |
Kabellänge zwischen Knoten | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Übertragungsphasen | Nein | Isochrone + asynchrone | IRT – isochron + asynchron, RT – asynchron | Nein | Nein |
Anzahl der Knoten | 65535 | 240 | Einschränkung des TCP/IP-Netzwerks | Einschränkung des TCP/IP-Netzwerks | Einschränkung des TCP/IP-Netzwerks |
Kollisionsauflösung | Ringtopologie | Taktsynchronisation, Übertragungsphasen | Ringtopologie, Übertragungsphasen | Switches, Stern-Topologie | Switches, Stern-Topologie |
Hot-Swap | Nein | Ja | Ja | Ja | Je nach Implementierung |
Hardwarekosten | Niedrig | Niedrig | Hoch | Mittel | Niedrig |
Die Anwendungsbereiche der beschriebenen Kommunikationsprotokolle, Feldbusse und industriellen Netzwerke sind sehr vielfältig. Sie reichen von der chemischen und Automobilindustrie bis hin zu Luft- und Raumfahrttechnologien sowie der Elektronikfertigung. Hochleistungs-Kommunikationsprotokolle sind in Echtzeitsystemen zur Positionierung verschiedener Geräte und in der Robotik gefragt.
Mit welchen Protokollen haben Sie gearbeitet und wo haben Sie sie angewendet? Teilen Sie Ihre Erfahrungen in den Kommentaren. 🙂
Quelle: habr.com
