Hablamos de cómo funcionan los buses y protocolos en la automatización industrial. Esta vez nos centraremos en las soluciones de trabajo modernas: veremos qué protocolos se utilizan en los sistemas de todo el mundo. Consideremos las tecnologías de las empresas alemanas Beckhoff y Siemens, la austriaca B&R, la estadounidense Rockwell Automation y la rusa Fastwel. También estudiaremos soluciones universales que no estén vinculadas a un fabricante específico, como EtherCAT y CAN.
Al final del artículo habrá una tabla comparativa con las características de los protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP y ModbusTCP.
No incluimos los protocolos PRP, HSR, OPC UA y otros en la revisión, porque Ya existen excelentes artículos sobre ellos en Habré escritos por nuestros colegas ingenieros que están desarrollando sistemas de automatización industrial. Por ejemplo, и .
Primero, definamos la terminología: Industrial Ethernet = red industrial, Fieldbus = bus de campo. En la automatización industrial rusa existe confusión en términos relacionados con el bus de campo y la red industrial de nivel inferior. A menudo, estos términos se combinan en un concepto único y vago llamado "nivel inferior", que se conoce como bus de campo y bus de subnivel, aunque puede que no sea un bus en absoluto.
¿Por qué es eso?Esta confusión probablemente se debe al hecho de que en muchos controladores modernos, la conexión de los módulos de E/S a menudo se implementa mediante un backplane o un bus físico. Es decir, determinados contactos y conectores de bus se utilizan para combinar varios módulos en una sola unidad. Pero estos nodos, a su vez, pueden interconectarse tanto mediante una red industrial como mediante un bus de campo. En la terminología occidental existe una división clara: una red es una red, un autobús es un autobús. El primero se denomina Industrial Ethernet y el segundo, Fieldbus. El artículo propone utilizar el término “red industrial” y el término “bus de campo” para estos conceptos, respectivamente.
Estándar de red industrial EtherCAT, desarrollado por Beckhoff
El protocolo y la red industrial EtherCAT es quizás uno de los métodos más rápidos de transmisión de datos en los sistemas de automatización actuales. La red EtherCAT se utiliza con éxito en sistemas de automatización distribuidos, donde los nodos que interactúan están separados a lo largo de largas distancias.
El protocolo EtherCAT utiliza tramas Ethernet estándar para transmitir sus telegramas, por lo que sigue siendo compatible con cualquier equipo Ethernet estándar y, de hecho, la recepción y transmisión de datos se puede organizar en cualquier controlador Ethernet, siempre que esté disponible el software adecuado.
Controlador Beckhoff con un conjunto de módulos de E/S. Fuente:
La especificación del protocolo está abierta y disponible, pero sólo en el marco de la asociación de desarrollo: EtherCAT Technology Group.
Así es como funciona EtherCAT (el espectáculo es fascinante, como el juego Zuma Inca):
La alta velocidad de intercambio en este protocolo, y podemos hablar de unidades de microsegundos, se debe al hecho de que los desarrolladores se negaron a intercambiar mediante telegramas enviados directamente a un dispositivo específico. En su lugar, se envía un telegrama a la red EtherCAT, dirigido a todos los dispositivos al mismo tiempo, cada uno de los nodos esclavos para recopilar y transmitir información (a menudo también llamados OSO - dispositivo de comunicación de objetos) lo toma "sobre la marcha". los datos que le estaban destinados e inserta en un telegrama los datos que está dispuesto a facilitar para el intercambio. Luego, el telegrama se envía al siguiente nodo esclavo, donde se produce la misma operación. Después de pasar por todos los dispositivos de control, el telegrama regresa al controlador principal, quien, en base a los datos recibidos de los dispositivos esclavos, implementa la lógica de control, interactuando nuevamente a través del telegrama con los nodos esclavos, que emiten una señal de control a el equipamiento.
Una red EtherCAT puede tener cualquier topología, pero en esencia siempre será un anillo, debido al uso del modo full duplex y dos conectores Ethernet. De esta forma, el telegrama siempre se transmitirá de forma secuencial a cada dispositivo del bus.
Representación esquemática de una red Ethercat con múltiples nodos. Fuente:
Por cierto, la especificación EtherCAT no contiene restricciones en la capa física 100Base-TX, por lo que la implementación del protocolo es posible basándose en líneas gigabit y ópticas.
Redes industriales abiertas y estándares PROFIBUS/NET de Siemens
La empresa alemana Siemens es conocida desde hace mucho tiempo por sus controladores lógicos programables (PLC), que se utilizan en todo el mundo.
El intercambio de datos entre nodos de un sistema automatizado controlado por equipos Siemens se realiza tanto a través de un bus de campo llamado PROFIBUS como en la red industrial PROFINET.
El bus PROFIBUS utiliza un cable especial de dos hilos con conectores DB-9. Siemens lo tiene en violeta, pero hemos visto otros en la práctica :). Para conectar varios nodos, un conector puede conectar dos cables. También tiene un interruptor para la resistencia terminal. La resistencia terminal debe estar encendida en los dispositivos finales de la red, indicando así que este es el primer o último dispositivo, y después no hay nada, solo oscuridad y vacío (todos los rs485 funcionan así). Si enciende una resistencia en el conector intermedio, la sección siguiente se apagará.
Cable PROFIBUS con conectores de conexión. Fuente:
La red PROFINET utiliza un cable analógico de par trenzado, normalmente con conectores RJ-45, el cable es de color verde. Si la topología de PROFIBUS es un bus, entonces la topología de la red PROFINET puede ser cualquier cosa: un anillo, una estrella, un árbol o todo combinado.
Controlador Siemens con cable PROFINET conectado. Fuente: w3.siemens.com
En el bus PROFIBUS y en la red PROFINET existen varios protocolos de comunicación.
Para PROFIBUS:
- PROFIBUS DP: la implementación de este protocolo implica la comunicación con dispositivos esclavos remotos; en el caso de PROFINET, este protocolo corresponde al protocolo PROFINET IO.
- PROFIBUS PA es esencialmente lo mismo que PROFIBUS DP, sólo se utiliza para versiones a prueba de explosiones de transmisión de datos y suministro de energía (análogo a PROFIBUS DP con diferentes propiedades físicas). Para PROFINET todavía no existe un protocolo a prueba de explosiones similar a PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS: diseñado para el intercambio de datos con sistemas de otros fabricantes que no pueden utilizar PROFIBUS DP. El análogo de PROFIBUS FMS en la red PROFINET es el protocolo PROFINET CBA.
Para PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
El protocolo PROFINET IO se divide en varias clases:
- PROFINET NRT (tiempo no real): se utiliza en aplicaciones donde los parámetros de sincronización no son críticos. Utiliza el protocolo de transferencia de datos Ethernet TCP/IP y UDP/IP.
- PROFINET RT (tiempo real): aquí el intercambio de datos de E/S se realiza mediante telegramas Ethernet, pero los datos de diagnóstico y comunicación se siguen transmitiendo a través de UDP/IP.
- PROFINET IRT (tiempo real isócrono): este protocolo fue desarrollado específicamente para aplicaciones de control de movimiento e incluye una fase de transferencia de datos isócrona.
En cuanto a la implementación del protocolo duro en tiempo real PROFINET IRT, para las comunicaciones con dispositivos remotos distingue dos canales de intercambio: isócrono y asíncrono. Un canal isócrono con una duración de ciclo de intercambio fija utiliza sincronización de reloj y transmite datos críticos en el tiempo; para la transmisión se utilizan telegramas de segundo nivel. La duración de la transmisión en un canal isócrono no supera 1 milisegundo.
El canal asíncrono transmite los llamados datos en tiempo real, que también se acceden a través de una dirección MAC. Además, se transmite diversa información auxiliar y de diagnóstico a través de TCP/IP. Ni los datos en tiempo real, ni mucho menos otra información, por supuesto, pueden interrumpir el ciclo isócrono.
El conjunto ampliado de funciones PROFINET IO no es necesario para todos los sistemas de automatización industrial, por lo que este protocolo está escalado para un proyecto específico, teniendo en cuenta las clases de cumplimiento o clases de conformidad: CC-A, CC-B, CC-CC. Las clases de cumplimiento le permiten seleccionar dispositivos de campo y componentes troncales con la funcionalidad mínima requerida.
Fuente:
El segundo protocolo de intercambio en la red PROFINET, PROFINET CBA, se utiliza para organizar la comunicación industrial entre equipos de diferentes fabricantes. La principal unidad de producción en los sistemas IAS es una determinada entidad llamada componente. Este componente suele ser una colección de piezas mecánicas, eléctricas y electrónicas de un dispositivo o instalación, así como el software de aplicación asociado. Para cada componente, se selecciona un módulo de software que contiene una descripción completa de la interfaz de este componente de acuerdo con los requisitos del estándar PROFINET. Después de lo cual estos módulos de software se utilizan para intercambiar datos con dispositivos.
Protocolo Ethernet POWERLINK de B&R
El protocolo Powerlink fue desarrollado por la empresa austriaca B&R a principios de la década de 2000. Esta es otra implementación de un protocolo en tiempo real además del estándar Ethernet. La especificación del protocolo está disponible y se distribuye gratuitamente.
La tecnología Powerlink utiliza el llamado mecanismo de sondeo mixto, cuando toda la interacción entre dispositivos se divide en varias fases. Los datos especialmente críticos se transmiten en la fase de intercambio isócrono, para lo cual se configura el tiempo de respuesta requerido; el resto de datos se transmitirán, siempre que sea posible, en la fase asíncrona.
Controlador B&R con un conjunto de módulos de E/S. Fuente: br-automation.com
El protocolo se implementó originalmente sobre la capa física 100Base-TX, pero luego se desarrolló una implementación gigabit.
El protocolo Powerlink utiliza un mecanismo de programación de comunicaciones. Se envía un determinado marcador o mensaje de control a la red, con la ayuda del cual se determina cuál de los dispositivos tiene actualmente permiso para intercambiar datos. Sólo un dispositivo puede tener acceso al intercambio a la vez.
Representación esquemática de una red Ethernet POWERLINK con múltiples nodos.
En la fase isócrona, el controlador de sondeo envía secuencialmente una solicitud a cada nodo del que necesita recibir datos críticos.
La fase isócrona se realiza, como ya se ha mencionado, con un tiempo de ciclo regulable. En la fase asíncrona del intercambio, se utiliza la pila de protocolos IP, el controlador solicita datos no críticos de todos los nodos, los cuales envían una respuesta a medida que obtienen acceso para transmitir a la red. La relación de tiempo entre las fases isócrona y asíncrona se puede ajustar manualmente.
Protocolo Ethernet/IP de Rockwell Automation
El protocolo EtherNet/IP fue desarrollado con la participación activa de la empresa estadounidense Rockwell Automation en el año 2000. Utiliza la pila IP TCP y UDP y la amplía para aplicaciones de automatización industrial. La segunda parte del nombre, contrariamente a la creencia popular, no significa Protocolo de Internet, sino Protocolo Industrial. UDP IP utiliza la pila de comunicaciones CIP (Protocolo de interfaz común), que también se utiliza en redes ControlNet/DeviceNet y se implementa sobre TCP/IP.
La especificación EtherNet/IP está disponible públicamente y de forma gratuita. La topología de la red Ethernet/IP puede ser arbitraria e incluir anillo, estrella, árbol o bus.
Además de las funciones estándar de los protocolos HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, implementa la transferencia de datos críticos entre el controlador de sondeo y los dispositivos de E/S. La transmisión de datos no críticos en el tiempo se realiza mediante paquetes TCP y la entrega crítica de datos de control cíclicos se realiza a través del protocolo UDP.
Para sincronizar la hora en sistemas distribuidos, EtherNet/IP utiliza el protocolo CIPsync, que es una extensión del protocolo de comunicación CIP.
Representación esquemática de una red Ethernet/IP con varios nodos y conexión de dispositivos Modbus. Fuente:
Para simplificar la configuración de la red EtherNet/IP, la mayoría de los dispositivos de automatización estándar vienen con archivos de configuración predefinidos.
Implementación del protocolo FBUS en Fastwel
Pensamos durante mucho tiempo si incluir en esta lista a la empresa rusa Fastwel con su implementación nacional del protocolo industrial FBUS, pero luego decidimos escribir un par de párrafos para comprender mejor las realidades de la sustitución de importaciones.
Hay dos implementaciones físicas de FBUS. Uno de ellos es un bus en el que se ejecuta el protocolo FBUS además del estándar RS485. Además, existe una implementación de FBUS en una red Ethernet industrial.
FBUS difícilmente puede considerarse un protocolo de alta velocidad; el tiempo de respuesta depende en gran medida del número de módulos de E/S en el bus y de los parámetros de intercambio; normalmente oscila entre 0,5 y 10 milisegundos. Un nodo esclavo FBUS solo puede contener 64 módulos de E/S. Para un bus de campo, la longitud del cable no puede exceder 1 metro, por lo que no estamos hablando de sistemas distribuidos. O mejor dicho, sí, pero sólo cuando se utiliza una red industrial FBUS a través de TCP/IP, lo que significa que el tiempo de sondeo se multiplica varias veces. Se pueden utilizar cables de extensión de bus para conectar módulos, lo que permite una colocación conveniente de los módulos en el gabinete de automatización.
Controlador Fastwel con módulos de E/S conectados. Fuente:
Total: cómo se utiliza todo esto en la práctica en los sistemas automatizados de control de procesos
Naturalmente, la variedad de tipos de protocolos de transferencia de datos industriales modernos es mucho mayor de lo que describimos en este artículo. Algunos están vinculados a un fabricante específico, otros, por el contrario, son universales. Al desarrollar sistemas automatizados de control de procesos (APCS), el ingeniero selecciona los protocolos óptimos, teniendo en cuenta tareas y limitaciones específicas (técnicas y presupuestarias).
Si hablamos de la prevalencia de un protocolo de intercambio en particular, podemos proporcionar un diagrama de la empresa. HMS Networks AB, que ilustra las cuotas de mercado de diversas tecnologías de intercambio en redes industriales.
Fuente:
Como se puede ver en el diagrama, PRONET y PROFIBUS de Siemens ocupan las primeras posiciones.
Curiosamente hace 6 años .
La siguiente tabla contiene datos resumidos sobre los protocolos de intercambio descritos. Algunos parámetros, por ejemplo el rendimiento, se expresan en términos abstractos: alto/bajo. Los equivalentes numéricos se pueden encontrar en los artículos de análisis de rendimiento.
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EtherCAT
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ENLACE DE ENERGÍA
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PROFINET
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EtherNet / IP
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ModbusTCP
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Nivel fisico
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
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nivel de datos
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Canal (tramas Ethernet)
|
Canal (tramas Ethernet)
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Canal (tramas Ethernet), Red/transporte (TCP/IP)
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Red/Transporte(TCP/IP)
|
Red/Transporte(TCP/IP)
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|
Soporte en tiempo real
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Sí
|
Sí
|
Sí
|
Sí
|
No
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|
Rendimiento
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Alto
|
Alto
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IRT – alto, RT – medio
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Promedio
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bajo
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Longitud del cable entre nodos
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100м
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100m/2km
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100м
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100м
|
100м
|
|
Fases de transferencia
|
No
|
Isócrono + asíncrono
|
IRT – isócrono + asíncrono, RT – asíncrono
|
No
|
No
|
|
Número de nodos
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65535
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240
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Limitación de la red TCP/IP
|
Limitación de la red TCP/IP
|
Limitación de la red TCP/IP
|
|
Resolución de colisiones
|
Topología de anillo
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Sincronización de reloj, fases de transmisión.
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Topología en anillo, fases de transmisión.
|
Switches, topología en estrella
|
Switches, topología en estrella
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|
intercambio en caliente
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No
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Sí
|
Sí
|
Sí
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Dependiendo de la implementación
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Costo del equipo
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bajo
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bajo
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Alto
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Promedio
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bajo
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Los campos de aplicación de los protocolos de intercambio, buses de campo y redes industriales descritos son muy diversos. Desde las industrias química y automotriz hasta la tecnología aeroespacial y la fabricación de electrónica. Los protocolos de intercambio de alta velocidad tienen demanda en sistemas de posicionamiento en tiempo real para diversos dispositivos y en robótica.
¿Con qué protocolos trabajó y dónde los aplicó? Comparte tu experiencia en los comentarios. 🙂
Fuente: habr.com