ni parolis pri kiel funkcias busoj kaj protokoloj en industria aŭtomatigo. Ĉi-foje ni koncentriĝos pri modernaj laborsolvoj: ni rigardos, kiaj protokoloj estas uzataj en sistemoj tra la mondo. Ni konsideru la teknologiojn de la germanaj kompanioj Beckhoff kaj Siemens, la aŭstra B&R, la usona Rockwell Automation kaj la rusa Fastwel. Ni ankaŭ studos universalajn solvojn, kiuj ne estas ligitaj al specifa fabrikanto, kiel EtherCAT kaj CAN.
Ĉe la fino de la artikolo estos kompara tabelo kun la karakterizaĵoj de la protokoloj EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP kaj ModbusTCP.
Ni ne inkludis PRP, HSR, OPC UA kaj aliajn protokolojn en la revizio, ĉar Jam estas bonegaj artikoloj pri ili pri Habré de niaj samideanoj, kiuj disvolvas industriajn aŭtomatigajn sistemojn. Ekzemple, и .
Unue, ni difinu la terminologion: Industria Ethernet = industria reto, Fieldbus = kampobuso. En rusa industria aŭtomatigo, ekzistas konfuzo rilate al la kampobuso kaj la malsupernivela industria reto. Ofte tiuj esprimoj estas kombinitaj en ununuran, neklaran koncepton nomitan "pli malalta nivelo", kiu estas referita kiel kaj kampbuso kaj subnivela buso, kvankam ĝi eble ne estas buso entute.
Kial?Tiu ĉi konfuzo estas plej verŝajne pro la fakto ke en multaj modernaj regiloj, la ligo de I/O-moduloj ofte estas efektivigita uzante fonplanon aŭ fizikan buson. Tio estas, certaj buskontaktoj kaj konektiloj estas uzataj por kombini plurajn modulojn en ununuran unuon. Sed tiaj nodoj, siavice, povas esti interligitaj per kaj industria reto kaj kampa buso. En okcidenta terminologio estas klara divido: reto estas reto, buso estas buso. La unua estas indikita per la esprimo Industria Eterreto, la dua per Fieldbus. La artikolo proponas uzi la esprimon "industria reto" kaj la esprimon "kampbuso" por tiuj konceptoj, respektive.
Industria retonormo EtherCAT, evoluigita fare de Beckhoff
La protokolo EtherCAT kaj industria reto estas eble unu el la plej rapidaj metodoj de transdono de datumoj en aŭtomatigaj sistemoj hodiaŭ. La reto EtherCAT estas sukcese uzata en distribuitaj aŭtomatigsistemoj, kie interagaj nodoj estas apartigitaj super longdistancoj.
La EtherCAT-protokolo uzas normajn Ethernet-kadrojn por transdoni siajn telegramojn, do ĝi restas kongrua kun iu ajn norma Ethernet-ekipaĵo kaj, fakte, datenricevo kaj transdono povas esti organizitaj sur iu Ethernet-regilo, kondiĉe ke la taŭga programaro estas havebla.
Beckhoff-regilo kun aro de I/O-moduloj. Fonto:
La protokolo-specifo estas malfermita kaj havebla, sed nur kadre de la evolua asocio - EtherCAT Technology Group.
Jen kiel funkcias EtherCAT (la spektaklo estas hipnotiga, kiel la ludo Zuma Inca):
La alta interŝanĝrapideco en ĉi tiu protokolo - kaj ni povas paroli pri unuoj de mikrosekundoj - realiĝas pro tio, ke la programistoj rifuzis interŝanĝi uzante telegramojn senditajn rekte al specifa aparato. Anstataŭe, unu telegramo estas sendita al la reto EtherCAT, adresita al ĉiuj aparatoj samtempe, ĉiu el la sklavaj nodoj por kolekti kaj transdoni informojn (ili estas ofte nomataj ankaŭ OSO - objekta komunikado-aparato) prenas el ĝi "sur la flugo" la datumojn, kiuj estis destinitaj al ĝi kaj enmetas en telegramon la datumojn, kiujn li pretas provizi por interŝanĝo. La telegramo tiam estas sendita al la venonta sklavnodo, kie la sama operacio okazas. Trapasinte ĉiujn kontrolajn aparatojn, la telegramo estas resendita al la ĉefregilo, kiu, surbaze de la datumoj ricevitaj de la sklavaj aparatoj, efektivigas la kontrollogikon, denove interagante tra la telegramo kun la sklavaj nodoj, kiuj eligas kontrolsignalon al la ekipaĵo.
Reto EtherCAT povas havi ajnan topologion, sed esence ĝi ĉiam estos ringo - pro la uzo de plena dupleksa reĝimo kaj du Ethernet-konektiloj. Tiamaniere, la telegramo ĉiam estos elsendita sinsekve al ĉiu aparato sur la buso.
Skema reprezentado de Ethercat-reto kun multoblaj nodoj. Fonto:
Cetere, la specifo EtherCAT ne enhavas limigojn pri la fizika tavolo 100Base-TX, do efektivigo de la protokolo eblas surbaze de gigabit kaj optikaj linioj.
Malfermu industriajn retojn kaj PROFIBUS/NET-normojn de Siemens
La germana konzerno Siemens estas delonge konata pro siaj programeblaj logikaj regiloj (PLCoj), kiuj estas uzataj tra la mondo.
Interŝanĝo de datumoj inter nodoj de aŭtomatigita sistemo kontrolita de Siemens-ekipaĵo estas efektivigita kaj per kampobuso nomita PROFIBUS kaj en la industria reto PROFINET.
La buso PROFIBUS uzas specialan dukernan kablon kun DB-9-konektiloj. Siemens havas ĝin en purpuro, sed ni vidis aliajn en la praktiko :). Por konekti plurajn nodojn, konektilo povas konekti du kablojn. Ĝi ankaŭ havas ŝaltilon por la fina rezistilo. La fina rezistilo devas esti ŝaltita ĉe la finaj aparatoj de la reto, tiel indikante, ke ĉi tiu estas la unua aŭ lasta aparato, kaj post ĝi estas nenio, nur mallumo kaj malpleno (ĉiuj rs485-oj funkcias tiel). Se vi ŝaltas rezistilon sur la meza konektilo, la sekcio sekvanta ĝin estos malŝaltita.
PROFIBUS-kablo kun konektiloj. Fonto:
La reto PROFINET uzas analogan tordparkablon, kutime kun RJ-45-konektiloj, la kablo estas kolorigita verda. Se la topologio de PROFIBUS estas buso, tiam la topologio de la reto PROFINET povas esti io ajn: ringo, stelo, arbo aŭ ĉio kombinita.
Siemens-regilo kun konektita PROFINET-kablo. Fonto: w3.siemens.com
Ekzistas pluraj komunikadprotokoloj sur la buso PROFIBUS kaj en la reto PROFINET.
Por PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - la efektivigo de ĉi tiu protokolo implikas komunikadon kun malproksimaj sklavaj aparatoj; en la kazo de PROFINET, ĉi tiu protokolo respondas al la PROFINET IO-protokolo.
- PROFIBUS PA estas esence la sama kiel PROFIBUS DP, nur uzata por eksplod-rezistaj versioj de datumtranssendo kaj elektroprovizo (analoga al PROFIBUS DP kun malsamaj fizikaj trajtoj). Por PROFINET, eksplod-rezista protokolo simila al PROFIBUS ankoraŭ ne ekzistas.
- PROFIBUS FMS - dizajnita por datumŝanĝo kun sistemoj de aliaj produktantoj kiuj ne povas uzi PROFIBUS DP. La PROFIBUS FMS-analogo en la PROFINET-reto estas la PROFINET CBA-protokolo.
Por PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
La PROFINET IO-protokolo estas dividita en plurajn klasojn:
- PROFINET NRT (ne-reala tempo) - uzita en aplikoj kie tempparametroj ne estas kritikaj. Ĝi uzas la Ethernet TCP/IP datumtransigo protokolon same kiel UDP/IP.
- PROFINET RT (reala tempo) - ĉi tie I/O-datumŝanĝo estas efektivigita uzante Eterretajn kadrojn, sed diagnozaj kaj komunikadaj datenoj daŭre estas transdonitaj per UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Ĉi tiu protokolo estis evoluigita specife por moviĝkontrolaplikoj kaj inkludas izokronan datumtransigan fazon.
Koncerne la efektivigon de la PROFINET IRT malmola realtempa protokolo, por komunikadoj kun malproksimaj aparatoj ĝi distingas du interŝanĝajn kanalojn: izokrona kaj nesinkrona. Izokrona kanalo kun fiksa interŝanĝciklolongo uzas horloĝsinkronigon kaj elsendas temp-kritikajn datenojn; duanivelaj telegramoj estas uzitaj por dissendo. La transdona daŭro en izokrona kanalo ne superas 1 milisekundon.
La nesinkrona kanalo elsendas tiel nomatajn realtempajn datumojn, kiuj ankaŭ estas traktitaj per MAC-adreso. Aldone, diversaj diagnozaj kaj helpaj informoj estas elsenditaj tra TCP/IP. Nek realtempaj datumoj, des malpli aliaj informoj, kompreneble, povas interrompi la izokronan ciklon.
La plilongigita aro de PROFINET IO-funkcioj ne estas bezonata por ĉiu industria aŭtomatiga sistemo, do ĉi tiu protokolo estas skalita por specifa projekto, konsiderante konformajn klasojn aŭ konformajn klasojn: CC-A, CC-B, CC-CC. Konformemaj klasoj permesas elekti kampajn aparatojn kaj spinajn komponantojn kun la minimuma postulata funkcieco.
fonto:
La dua interŝanĝa protokolo en la reto PROFINET - PROFINET CBA - estas uzata por organizi industrian komunikadon inter ekipaĵoj de malsamaj fabrikantoj. La ĉefa produktunuo en IAS-sistemoj estas certa unuo nomita komponento. Ĉi tiu komponanto estas kutime kolekto de mekanikaj, elektraj kaj elektronikaj partoj de aparato aŭ instalaĵo, same kiel rilataj aplikaj programoj. Por ĉiu komponanto estas elektata programaro-modulo, kiu enhavas kompletan priskribon de la interfaco de ĉi tiu komponanto laŭ la postuloj de la normo PROFINET. Post tio ĉi tiuj programaraj moduloj estas uzataj por interŝanĝi datumojn kun aparatoj.
Protokolo B&R Ethernet POWERLINK
La Powerlink-protokolo estis evoluigita fare de la aŭstra firmao B&R en la fruaj 2000-aj jaroj. Ĉi tio estas alia efektivigo de realtempa protokolo aldone al la Ethernet-normo. La protokolo-specifo estas havebla kaj distribuita libere.
Powerlink-teknologio uzas tielnomitan miksitan balotan mekanismon, kiam ĉiu interagado inter aparatoj estas dividita en plurajn fazojn. Aparte kritikaj datenoj estas elsenditaj en la izokrona interŝanĝfazo, por kiu la postulata respondtempo estas agordita; la ceteraj datenoj estos elsenditaj, kiam ajn ebla, en la nesinkrona fazo.
B&R-regilo kun aro de I/O-moduloj. Fonto: br-automation.com
La protokolo estis origine efektivigita aldone al la fizika tavolo 100Base-TX, sed poste gigabita efektivigo estis evoluigita.
La Powerlink-protokolo uzas komunikadan planan mekanismon. Certa markilo aŭ kontrolmesaĝo estas sendita al la reto, kun la helpo de kiu oni determinas, kiu el la aparatoj nuntempe havas permeson interŝanĝi datumojn. Nur unu aparato povas havi aliron al la interŝanĝo samtempe.
Skema reprezentado de Ethernet POWERLINK-reto kun multoblaj nodoj.
En la izokrona fazo, la balotregilo sinsekve sendas peton al ĉiu nodo de kiu ĝi devas ricevi kritikajn datenojn.
La izokrona fazo estas farita, kiel jam menciite, kun alĝustigebla ciklotempo. En la nesinkrona fazo de la interŝanĝo, la IP-protokolo stako estas uzata, la regilo petas ne-kritikajn datumojn de ĉiuj nodoj, kiuj sendas respondon kiam ili akiras aliron por transdoni al la reto. La tempoproporcio inter la izokronaj kaj nesinkronaj fazoj povas esti alĝustigita permane.
Rockwell Automation Ethernet/IP-Protokolo
La EtherNet/IP-protokolo estis evoluigita kun la aktiva partopreno de la amerika firmao Rockwell Automation en 2000. Ĝi uzas la TCP kaj UDP IP-stakon, kaj etendas ĝin por industriaj aŭtomatigaj aplikoj. La dua parto de la nomo, kontraŭe al populara kredo, ne signifas Interretan Protokolon, sed Industrian Protokolon. UDP IP uzas la komunikadstakon CIP (Common Interface Protocol), kiu ankaŭ estas uzata en ControlNet/DeviceNet-retoj kaj estas efektivigita aldone al TCP/IP.
La EtherNet/IP-specifo estas publike havebla kaj libere havebla. La Eterreto/IP retotopologio povas esti arbitra kaj inkludi ringon, stelon, arbon aŭ buson.
Krom la normaj funkcioj de la protokoloj HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, ĝi efektivigas la translokigon de tempo-kritikaj datumoj inter la balotregilo kaj I/O-aparatoj. La dissendo de ne-tempa-kritikaj datenoj estas disponigita per TCP-pakaĵetoj, kaj la temp-kritika livero de ciklaj kontroldatenoj estas aranĝita per la UDP-protokolo.
Por sinkronigi tempon en distribuitaj sistemoj, EtherNet/IP uzas la CIPsync-protokolon, kiu estas etendaĵo de la CIP-komunika protokolo.
Skema reprezentado de Ethernet/IP-reto kun pluraj nodoj kaj konekto de Modbus-aparatoj. Fonto:
Por simpligi EtherNet/IP-reton, la plej multaj normaj aŭtomatigaj aparatoj venas kun antaŭdifinitaj agordaj dosieroj.
Efektivigo de la FBUS-protokolo ĉe Fastwel
Ni pensis dum longa tempo ĉu inkluzivi la rusan kompanion Fastwel en ĉi tiu listo kun ĝia hejma efektivigo de la industria protokolo FBUS, sed tiam ni decidis skribi kelkajn alineojn por pli bona kompreno de la realaĵoj de import-anstataŭado.
Ekzistas du fizikaj efektivigoj de FBUS. Unu el ili estas buso en kiu la FBUS-protokolo funkcias super la RS485-normo. Krome, ekzistas efektivigo de FBUS en industria Ethernet-reto.
FBUS apenaŭ povas esti nomita altrapida protokolo; la respondtempo forte dependas de la nombro da I/O-moduloj sur la buso kaj de la interŝanĝaj parametroj; ĝi kutime varias de 0,5 ĝis 10 milisekundoj. Unu FBUS-sklavnodo povas nur enhavi 64 I/O-modulojn. Por kampbuso, la kablolongo ne povas superi 1 metron, do ni ne parolas pri distribuitaj sistemoj. Aŭ pli ĝuste, ĝi faras, sed nur kiam oni uzas industrian FBUS-reton super TCP/IP, kio signifas plurfoje pligrandigon de balottempo. Busaj etendaĵoj povas esti uzataj por konekti modulojn, kio ebligas oportunan lokigon de moduloj en la aŭtomatigan kabineton.
Fastwel-regilo kun konektitaj I/O-moduloj. Fonto:
Totalo: kiel ĉio ĉi estas uzata praktike en aŭtomataj procezkontrolsistemoj
Kompreneble, la vario de tipoj de modernaj industriaj datumtransigo protokoloj estas multe pli granda ol ni priskribis en ĉi tiu artikolo. Iuj estas ligitaj al specifa fabrikanto, iuj, male, estas universalaj. Disvolvante aŭtomatajn procezkontrolajn sistemojn (APCS), la inĝeniero elektas la optimumajn protokolojn, konsiderante specifajn taskojn kaj limojn (teknikaj kaj buĝetaj).
Se ni parolas pri la tropezo de aparta interŝanĝa protokolo, ni povas provizi diagramon de la kompanio HMS Retoj AB, kiu ilustras la merkatpartojn de diversaj interŝanĝteknologioj en industriaj retoj.
fonto:
Kiel videblas en la diagramo, PRONET kaj PROFIBUS de Siemens okupas la gvidajn poziciojn.
Interese, antaŭ 6 jaroj .
La suba tabelo enhavas resumajn datumojn pri la priskribitaj interŝanĝaj protokoloj. Iuj parametroj, ekzemple, rendimento, estas esprimitaj en abstraktaj terminoj: alta / malalta. Nombraj ekvivalentoj troveblas en analitiko-artikoloj.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fizika tavolo
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Nivelo de datumoj
|
Kanalo (Eternetaj kadroj)
|
Kanalo (Eternetaj kadroj)
|
Kanalo (Eterretaj kadroj), Reto/transporto (TCP/IP)
|
Reto/Transporto (TCP/IP)
|
Reto/Transporto (TCP/IP)
|
|
Subteno en reala tempo
|
Jes
|
Jes
|
Jes
|
Jes
|
Neniu
|
|
Produkteco
|
Высокая
|
Высокая
|
IRT - alta, RT - meza
|
Duona
|
Malalta
|
|
Longo de kablo inter nodoj
|
100
|
100 m/2 km
|
100
|
100
|
100
|
|
Transigaj fazoj
|
Neniu
|
Izokrona + nesinkrona
|
IRT - izokrona + nesinkrona, RT - nesinkrona
|
Neniu
|
Neniu
|
|
Nombro de nodoj
|
65535
|
240
|
TCP/IP Reto-Limigo
|
TCP/IP Reto-Limigo
|
TCP/IP Reto-Limigo
|
|
Kolizio rezolucio
|
Ringa topologio
|
Sinkronigado de horloĝo, fazoj de transdono
|
Ringa topologio, dissendaj fazoj
|
Ŝaltiloj, steltopologio
|
Ŝaltiloj, steltopologio
|
|
Varma interŝanĝo
|
Neniu
|
Jes
|
Jes
|
Jes
|
Depende de la efektivigo
|
|
Kosto de ekipaĵo
|
Malalta
|
Malalta
|
Высокая
|
Duona
|
Malalta
|
La kampoj de apliko de la priskribitaj interŝanĝprotokoloj, kampbusoj kaj industriaj retoj estas tre diversaj. De la kemiaj kaj aŭtindustrioj ĝis aerspaca teknologio kaj elektronika fabrikado. Altrapidaj interŝanĝaj protokoloj estas postulataj en realtempaj poziciiga sistemoj por diversaj aparatoj kaj en robotiko.
Kun kiuj protokoloj vi laboris kaj kie vi aplikis ilin? Kunhavigu vian sperton en la komentoj. 🙂
fonto: www.habr.com