Kaasaegsete protokollide ülevaade tööstusautomaatikas

Eelmises publikatsioonis rääkisime, kuidas töötavad bussid ja protokollid tööstusautomaatikas. Seekord keskendume kaasaegsetele tööratka lahendustele: vaatame, milliseid protokolle kasutatakse süsteemides üle kogu maailma. Uurime Saksa ettevõtete Beckhoff ja Siemens, Austria B&R, Ameerika Rockwell Automatsiooni ja Venemaa Fastwel tehnoloogiaid. Samuti uurime universaalseid lahendusi, mis ei ole seotud konkreetse tootjaga, nagu EtherCAT ja CAN. 

Artikli lõpus on võrreldav tabel protokollide EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP ja ModbusTCP omadustega.

Me ei sisaldanud ülevaates protokolle PRP, HSR, OPC UA ja teisi, kuna nende kohta on Habr'is juba suurepäraseid artikleid meie inseneride kolleegidelt, kes tegelevad tööstusautomaatika süsteemide arendamisega. Näiteks, „Protokollid „katkenditeta“ varundamise PRP ja HSR” ja „Tööstusprotokollide vahetuslülitid Linuxil. Kogu ise”.

Alustuseks määratleme terminoloogia: Industrial Ethernet = tööstuslik Ethernet, Fieldbus = välivõrguliides. Venemaa tööstusautomaatikas võib tekkida segadust terminitega, mis puudutavad välivõrguliidest ja madalama taseme tööstusvõrku. Tihti koondatakse need mõisted ühte lahtisse mõistedesse „madalam tase“, mida nimetatakse nii välivõrguliidese kui ka madalama taseme bussiks, kuigi see ei pruugi olla buss üldse.

Miks nii?Selline segadus on tõenäoliselt seotud sellega, et paljudes tänapäevastes kontrollerites teostatakse sisend-väljundmodulite ühendamine sageli ühendusplaadi (ingl. backplane) või füüsilise bussiga. See tähendab, et kasutatakse teatud bussikontakte ja -ühendusi, et koondada mitmeid mooduleid üheks üksuseks. Kuid need üksused võivad omakorda olla ühendatud kas tööstusvõrguga või välivõrguliidese abil. Lääne terminoloogias on selge eristus: võrk on võrk, buss on buss. Esimene tähistatakse terminiga Industrial Ethernet, teine – Fieldbus. Kõnealuste mõistete jaoks soovitatakse artiklis kasutada termini „tööstuslik võrk“ ja „välivõrguliides“ vastavalt.

Beckhoffi loodud EtherCAT tööstusvõrgu standard

EtherCAT protokoll ja tööstusvõrk on üheks kõige kiiremaks tänapäeval andmete edastamise viisiks automaatikasüsteemides. EtherCATi võrk on edukalt kasutusel jaotatud automatiseerimissüsteemides, kus koostööd tegevad sõlmed asuvad suures vahemaa.

EtherCAT protokoll kasutab oma telegrammide edastamiseks standardseid Etherneti raame, mistõttu säilib ühilduvus igasuguse standardse Etherneti seadmega, ja andmete vastuvõtt ja edastamine võivad toimuda igasuguste Etherneti kontrollerite peal, kui olemas on vastav tarkvara.

Beckhoffi kontroller koos sisend- ja väljundmodulitega. Allikas: www.beckhoff.de

Protokolli spetsifikatsioon on avatud ja kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti

Nii töötab EtherCAT (vaatepilt on lummav nagu mäng Zuma Inca):

Selle protokolli kõrge vahetuskiirus — jutt võib olla mikrosekunditest — saavutatakse tänu sellele, et arendajad loobusid telegraafide vahetamisest otse konkreetse seadmega. Selle asemel saadetakse EtherCATi võrku üks telegraaf, mis on suunatud kõigile seadmetele samal ajal, ja iga alluv teabe kogumise ja edastamise sõlm (mida nimetatakse sageli ÜSO-ks — objekti suhtlemisseade) võtab sellest „otse” need andmed, mis talle olid mõeldud, ja lisab telegraafi teabe, mida ta on valmis vahetama. Pärast seda saadetakse telegraaf järgmisele alluva sõlmele, kus toimub sama operatsioon. Pärast kõikidest ÜSO-dest möödumist naaseb telegraaf peamisele kontrollerile, kes saadud andmete põhjal alluvatelt seadmetelt rakendab juhtimislogikat, jällegi suhtlemisel telegraafi kaudu alluvate sõlmedega, mis edastavad juhtsignaali seadmetele.

EtherCAT-võrk võib omada igasuguseid topoloogiaid, kuid põhimõtteliselt on see alati ring — tänu täisdublexrežiimi ja kahele Etherneti pesa kasutamisele. Seega edastatakse telegramm alati järjestikku igale seadmele bussis.

EtherCAT-võrgu skeem mitme sõlmega. Allikas: realpars.com

Tasub mainida, et EtherCAT-i spetsifikatsioon ei sisalda 100Base-TX füüsilise taseme piiranguid, seega on protokolli rakendamine võimalik ka gigabiti ja optiliste liinide põhjal.

Avatud tööstusvõrgud ja Siemens PROFIBUS/NET standardid

Saksamaa kontsern Siemens on tuntud oma programmeeritavate loogikakontrollerite (PLK) poolest, mida kasutatakse üle kogu maailma.

Andmevahetus Siemens'i seadmetega juhtitud automatiseeritud süsteemi sõlmede vahel toimub nii PROFIBUS-kohapealses bussis kui ka PROFINET tööstusvõrgus.

PROFIBUS-iine kasutab spetsiaalset kahesoonelist kaablit, millel on DB-9 pistikud. Siemensel on see lilla, kuid me oleme praktikas kohanud ka teisi variantte. Mitme seadme ühendamiseks võib pistik ühendada kaks kaablit. Samuti on seal terminaalresistoriga lüliti. Terminaalresistor peab olema sisse lülitatud võrgu servaseadmetes, märkides, et see on esimene või viimane seade, ning pärast seda ei ole enam midagi, ainult pimedus ja tühjus (kõik rs485 töötavad nii). Kui vahepistikus lülitatakse resistor sisse, siis järgnev lõik katkestatakse.

PROFIBUS kaabel koos pistikuga. Allikas: VIPA ControlsAmerica

PROFINET-i võrgus kasutatakse tavaliselt pöörist, millel on RJ-45 pistikud, kaabel on rohelise värviga. Kui PROFIBUS'i topoloogia on bussi kujuline, siis võib PROFINET-i võrgutopoloogia olla mis tahes: kas ring, täht, puu või kõik koos.

Siemens'i kontroller, millel on PROFINET kaabel ühendatud. Allikas: w3.siemens.com

PROFIBUS-i ja PROFINET-i võrgus on mitu protokolli.

PROFIBUS jaoks:

1. PROFIBUS DP — selle protokolli rakendamine tähendab ühendust kaugjõu seadmete ning PROFINETi puhul vastab sellele protokollile PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — on sisuliselt sama mis PROFIBUS DP, kuid kasutatakse plahvatuskindlates andmeedastus- ja toitevõimalustes (PROFIBUS DP analoog, kuid erineva füüsikalise omadusega). PROFINETi plahvatuskindlate protokollide jaoks pole veel analooge PROFIBUSile.
3. PROFIBUS FMS — on mõeldud andmevahetuseks teiste tootjate süsteemidega, mis ei saa kasutada PROFIBUS DP-d. PROFIBUS FMS analoog PROFINETi võrgus on protokoll PROFINET CBA.

PROFINETi jaoks:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

PROFINET IO protokoll jaguneb mitmeks klassiks:

• PROFINET NRT (ilma reaalaegse töötlemiseta) — kasutatakse rakendustes, kus ajaparametrid ei ole kriitilised. Sellel kasutatakse andmeedastusprotokolli Ethernet TCP/IP, samuti UDP/IP.
• PROFINET RT (reaalajas) — siin toimub sisendi/väljundi andmevahetus Etherneti raamide kaudu, kuid diagnostikandmed ja sideandmed saadetakse endiselt UDP/IP kaudu. 
• PROFINET IRT (isokroonne reaalne aeg) on protokoll, mis on spetsiaalselt välja töötatud liikumishalduse rakenduste jaoks ning sisaldab isokroonset andmeedastuse faasi.

PROFINET IRT rangelt reaalajas protokolli rakendamise osas on kaugseadmestega suhtlemiseks eraldatud kaks vahetuskanalit: isokroonne ja asünkroonne. Isokroonne kanal, millel on kindel tsükli pikkus, kasutab taktsünkroniseerimist ja edastab ajale kriitilisi andmeid, kasutades teise taseme telegrame. Isokroonse kanali edastamise kestus ei ületa 1 millisekundit.

Asünkroonse kanali kaudu edastatakse nn reaalajas andmeid, mis adresseeritakse samuti MAC-aadressi kaudu. Täiendavalt edastatakse erinevat diagnostilist ja abiteavet TCP/IP kohal. Ei reaalajas andmed ega mingil juhul muu teave ei saa loomulikult katkestada isokroonset tsüklit.

PROFINET IO ulatuslik funktsioonide kogum ei ole vajalik igas tööstusautomaatika süsteemis, seetõttu kohandatakse see protokoll konkreetse projekti jaoks, arvestades vastavusklasse või rakendusklasse (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Vastavusklassid võimaldavad valida väli-seadmeid ja bussikomponente minimaalsete vajalike funktsioonide jaoks. 

Allikas: PROFINET ülikooli õppetund

Teine PROFINET võrguside protokoll — PROFINET CBA — teenib tööstuslikku suhtlust erinevate tootjate seadmete vahel. Peamine tootmisüksus CBA süsteemides on mingi entiteet, mida nimetatakse komponendiks. See komponent on tavaliselt mehhaanilise, elektrilise ja elektroonilise osa ning vastava rakendustarkvara kogum. Iga komponendi jaoks valitakse tarkvaramoodul, mis sisaldab selle komponendi liidese täielikku kirjelduse vastavalt PROFINET standardi nõuetele. Seejärel kasutatakse neid tarkvaramooduleid seadmete vahel andmete vahetamiseks. 

B&R ettevõtte Ethernet POWERLINK protokoll

Powerlink protokoll on välja töötatud Austria ettevõtte B&R poolt 2000. aastate alguses. See on veel üks reaalajas protokolli rakendus Etherneti standardi kohal. Protokolli spetsifikatsioon on saadaval ja levitatakse vabalt. 

Powerlink tehnoloogias kasutatakse nn segatud küsitluse mehhanismi, kus kõik seadmete vaheline suhtlemine jaguneb mitmeks faasiks. Üliolulised andmed edastatakse isokroonilises vahetusfaasis, millele seadistatakse vajalik vastusaeg; ülejäänud andmed edastatakse võimalusel asünkroonse faasi jooksul.

B&R kontroller koos sisend- ja väljundmodulitega. Allikas: br-automation.com

Alguses teostati protokoll 100Base-TX füüsilise kihi peal, kuid hiljem arendati välja ka gigabiti versioon.

Powerlink protokollis kasutatakse vahetuse planeerimise mehhanismi. Võrgus saadetakse mingi märgistus või juhtimis sõnum, millega määratakse, milline seade on hetkel andmevahetamiseks volitatud. Igal hetkel võib andmevahetuses osaleda vaid üks seade.

Ethernet POWERLINK võrgu skemaatiline esitus mitmete sõlmedega.

Isokroonse faasi ajal saadab küsitlev kontroller järjestikku päringud igale sõlmele, millelt on vajalik saada kriitilisi andmeid. 

Isokroonset faasi teostatakse, nagu juba öeldud, seadistatava tsükliaja järgi. Asünkroonse vahetuse faasis kasutatakse IP protokolli kihti, kontroller küsib mitte-kriitilisi andmeid kõigilt sõlmedelt, mis saadavad vastuse andmeedastusvõrku juurdepääsu saamise järel. Isokroonse ja asünkroonse faasi ajasuhet saab käsitsi seadistada.

Rockwell Automationi Ethernet/IP protokoll

EtherNet/IP protokoll on välja töötatud Ameerika ettevõtte Rockwell Automationi aktiivsel osalusel 2000. aastal. See kasutab TCP ja UDP IP protokolli kihti ja laiendab seda tööstusautomaatika rakendamiseks. Nime teine osa, vaatamata levinud arvamusele, ei tähenda Internet Protocol, vaid Industrial Protocol. UDP IP kasutab CIP (Common Interface Protocol) suhtlemiskihti, mida kasutatakse ka ControlNet / DeviceNet võrkudes ning mis on rakendatud TCP/IP peal.

EtherNet/IP spesifikatsioon on avalik ja jagatakse tasuta. Ethernet/IP võrgu topoloogia võib olla mis tahes ja sisaldada ringi, tähte, puud või bussi.

Lisaks standardsetele HTTP, FTP ja SMTP protokollide funktsioonidele teostab EtherNet/IP kriitilise ajaga andmete edastamist küsitlustele kontrollija ja sisend/väljund seadmete vahel. Mitte kriitilise ajaga andmete edastamine toimub TCP pakettide kaudu, samas kui kriitiliste ajaga tsükliliste juhtimisandmete edastamine toimub UDP protokolli kaudu. 

Jaotatud süsteemides aja sünkroniseerimiseks kasutab EtherNet/IP protokolli CIPsync, mis on CIP kommunikatsiooniprotokolli laiendus.

Skeem, kuhu on kujutatud Ethernet/IP võrku koos mitme sõlmega ja Modbus seadmete ühendusega. Allikas: www.icpdas.com.tw

EtherNet/IP võrgu seadistamise lihtsustamiseks on enamik standardautomaatika seadmeid varustatud eelnevalt määratud konfigureerimisfailidega.

FBUS protokolli rakendamine ettevõttes Fastwel

Kaua mõeldi, kas lisada see nimekiri Venemaa ettevõtte Fastwel'st, kellel on kodumaine rakendus tööstuslikus protokollis FBUS, kuid otsustasime siiski kirjutada paar lõiku, et paremini mõista asendamise reaalsusi.

FBUS-l on kaks füüsilist rakendust. Üks neist on buss, kus protokoll FBUS töötab RS485 standardi peal. Lisaks on olemas FBUS'i rakendus tööstuslikus Ethernet-võrgus.

FBUS'i on raske nimetada kiireks protokolliks, kuna vastusajad sõltuvad tugevalt bussil olevate sisend-väljundmodulite arvust ja vahetusparameetritest; need on tavaliselt vahemikus 0,5–10 millisekundit. Ühel alluva FBUS-i sõlmel võib olla ainult 64 sisend-väljundmodulit. Välisbussis ei tohi kaabli pikkus ületada 1 meetrit, seega ei saa rääkida jaotatud süsteemidest. Või noh, saab, kuid ainult siis, kui kasutatakse tööstuslikku FBUS-i TCP/IP peal, mis tähendab, et küsitlusajad suurenevad mitu korda. Modulite ühendamiseks saab kasutada bussipikendusi, mis võimaldab mugavalt paigutada mooduleid automaatikakappi.

Fastwel'i kontroller koos ühendatud sisend-väljundmodulitega. Allikas: Kontrollitehnika Eestis

Kokku: kuidas seda praktikas kasutatakse APU TP-s

Muidugi on kaasaegsete tööstuslike andmeedastusprotokollide liigiline mitmekesisus palju suurem kui me selles artiklis kirjeldasime. Mõned neist on seotud konkreetse tootjaga, teised on aga universaalsed. Automatiseeritud protsessijuhtimise süsteemide (APU TP) arendamisel valib insener optimaalsed protokollid, võttes arvesse konkreetseid ülesandeid ja piiranguid (tehnilisi ja eelarvelisi).

Kui rääkida teatud vahetusprotokolli levikust, siis võib tuua diagrammi ettevõttelt HMS Networks AB, mis illustreerib erinevate vahetustehnoloogiate turuosa tööstuslikes võrkudes.

Allikas: HMS Networks AB

Nagu diagrammil näha, on Siemens'i PRONET ja PROFIBUS juhtpositsioonil.

Huvitav on see, et 6 aastat tagasi 60% turust kuulusid PROFINET ja Ethernet/IP protokollidele.

Allolevas tabelis on kokkuvõtlikud andmed kirjeldatud vahetusprotokollide kohta. Mõned parameetrid, näiteks jõudlus, on väljendatud abstraktses vormis: kõrge / madal. Numbrilised ekvivalentide leidmine on võimalik jõudluse analüüsi artiklites. 

Käesolevates vahetusprotokollides, välivõrkudes ja tööstuslikes võrkudes on laiad kasutusalad. Alates keemia- ja autotööstusest kuni õhutehnoloogia ja elektroonika tootmiseni. Kiired vahetusprotokollid on vajalikud erinevate seadmete reaalajas positsioneerimissüsteemides ja robootikas.

Milliste protokollidega olete töötanud ja kus olete neid rakendanud? Jagage oma kogemust kommentaarides. 🙂

Allikas: habr.com