Kaasaegsete protokollide ülevaade automaatika süsteemides

Eelmises postituses rääkisime, kuidas bussid ja protokollid töötavad tööstusautomaatikas. Seekord keskendume kaasaegsetele töölahendustele: vaatame, milliseid protokolle kasutatakse süsteemides üle kogu maailma. Uurime saksa ettevõtete Beckhoff ja Siemens, Austria B&R, Ameerika Rockwell Automation ja Venemaa Fastwel tehnoloogiaid. Samuti vaatame üle universaalsed lahendused, mis ei ole konkreetselt seotud tootjaga, nagu EtherCAT ja CAN. 

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

Me ei lisanud ülevaatesse protokolle PRP, HSR, OPC UA ja teisi, kuna nende kohta on Habr's juba suurepärased artiklid meie insenerikollegide poolt, kes tegelevad automaatikasüsteemide arendamisega. Näiteks, «Protokollid «katkematu» reserveerimise PRP ja HSR» ja «Tööstusprotokollide vahetusväravad Linuxis. Koge ise».

Kuna alustame, määratleme terminoloogia: Industrial Ethernet = tööstuslik võrk, Fieldbus = väli buss. Venemaa tööstusautomaatikas esineb mõistetega segadust, mis puudutavad väli bussi ja madalama taseme tööstusvõrku. Sageli liidetakse need terminid ühtseks häguseks mõisteks „madal tase”, mida kutsutakse nii väli bussiks kui ka madalama taseme bussiks, ehkki see võib olla ka mitte buss üldse.

Miks nii?Selline segadus on ilmselt tingitud sellest, et paljudes kaasaegsetes kontrollerites moodulite ühendamine viiakse sageli läbi ühenduspaneeli (ingl. k backplane) või füüsilise bussi abil. See tähendab, et kasutada kasutatakse mingi bussikontakte ja ühendusi, et ühendada mitu moodulit ühte sõlme. Kuid sellised sõlmed, omakorda, võivad olla omavahel ühendatud nii tööstusvõrgu kui ka väli bussiga. Lääne terminoloogias on selge jaotus: võrk on võrk, buss on buss. Esimene tähistatakse terminiga Industrial Ethernet, teine - Fieldbus. Artiklis soovitatakse nende mõistete jaoks kasutada vastavalt termineid „tööstuslik võrk” ja „väli buss”.

Tööstuslikuvõrgu standard EtherCAT, Beckhoffi ettevõtte arendus

EtherCAT protokoll ja tööstuslik võrk on tõenäoliselt üks kiiremaid andmete edastamise viise automaatikasüsteemides. EtherCATi võrk on edukalt kasutusel hajutatud automaatikasüsteemides, kus suhtlevad sõlmed asuvad suures vahemaa kauguses.

EtherCAT protokoll kasutab oma telegrammide edastamiseks standardseid Ethernet-raamide, seega säilib ühilduvus mis tahes standardse Ethernet-seadmestikuga ja sisuliselt saab andmete vastuvõtmise ja edastamise korraldada mis tahes Ethernet-kontrolleris, kui on olemas vastav tarkvara.

Beckhoffi kontroller koos sisend-output moodulite komplektiga. Allikas: www.beckhoff.de

Protokolli spetsifikatsioon on avatud ja kergesti ligipääsetav, kuid ainult arenduse-assotsiatsiooni raames — EtherCAT Technology Group.

Nii see toimib EtherCAT: (vaatepilt on sama hämmastav kui Zuma Inca mäng):

Selle protokolli kõrge andmevahetuse kiirus — jutt võib olla mikrosekunditest — on saavutatud selle tõttu, et arendajad loobusid andmete edastamisest üksikutele seadmetele otse. Selle asemel suunatakse EtherCATi võrku üks telegramm, mis on adresseeritud kõigile seadmetele korraga, iga alluv sõlm, mis kogub ja edastab teavet (mida nimetatakse sageli ka ühendusseadmeks), võtab ‘lennult’ need andmed, mis on tema jaoks mõeldud, ja lisab telegrammi andmed, mida ta on valmis jagama. Pärast seda saadetakse telegramm järgmisele allumisele sõlmele, kus toimub sama protseduur. Pärast seda, kui telegramm on läbinud kõik ühendusseadmed, naaseb see peasse kontrollerisse, mis, tuginedes saadud andmetele alluvatelt seadmetelt, rakendab juhtimislogikat, jälle suheldes telegrammiga alluvate sõlmedega, mis edastavad juhtsignaali seadmele.

EtherCATi võrgul võib olla mis tahes topoloogia, kuid põhimõtteliselt on see alati ring, kuna kasutatakse täidisega režiimi ja kahte Etherneti pesat. Seega edastatakse telegramm alati järjestikku igale seadmele bussil.

Skeemiline esitlus EtherCATi võrgu mitmest sõlmest. Allikas: realpars.com

Ükskõik, EtherCAT-i spetsifikatsioon ei sisalda füüsilise tasandi 100Base-TX piiranguid, seega on protokolli rakendamine võimalik gigabitti- ja optiliste liinide põhjal.

Avatud tööstuslikud võrgud ja PROFIBUS/Netsüsteem Siemensilt

Saksa kontsern Siemens on juba kaua tuntud oma programmeeritavate loogikakontrollerite (PLC) poolest, mida kasutatakse üle kogu maailma.

Andmevahetus Siemens’i seadmete halduses oleva automatiseeritud süsteemi sõlmede vahel toimub nii PROFIBUS-nimelise välibussiga kui ka PROFINET tööstusvõrgus.

PROFIBUS-buss kasutab spetsiaalset kahesuunalist kaablit DB-9 pistikupesadega. Siemansi versioon on lilla, kuid oleme praktikas kohanud ka teisi :). Ühendamiseks mitme sõlme vahel võib pistikühenduses olla kaks kaablit. Seal on ka lüliti terminaalresistorile. Terminaalresistor peab olema aktiveeritud võrgu lõppseadmetes, nii et antakse märku, et see on esimene või viimane seade, ning pärast seda ei ole enam midagi, vaid pimedus ja tühjus (nii töötab kõik rs485). Kui vahepealses pistikühenduses lülitati resistor sisse, siis järgmine lõik pärast seda lahutatakse.

PROFIBUS-kaabel koos ühendusühendustega. Allikas: VIPA Controls America

PROFINET-võrgus kasutatakse sarnast pöördpaari, tavaliselt RJ-45 pistikupesadega, kaabel on rohelise värviga. Kui PROFIBUS toopoloogia on buss, siis PROFINET-võrgu toopoloogia võib olla mis tahes: kas rõngas, täht, puu või kõik koos.

Siemansi kontroller koos PROFINET-kaabliühendusega. Allikas: w3.siemens.com

PROFIBUS-bussil ja PROFINET-võrgus eksisteerib mitu protokolli andmevahetuseks.

PROFIBUS-i puhul:

1. PROFIBUS DP — selle protokolli rakendamise korral on tagatud ühendus eemal asuvate alluvate seadmetega, PROFINET-i puhul vastab sellele protokoll PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — on sisuliselt sama mis PROFIBUS DP, kuid kasutatakse plahvatuskindlate andmeedastus- ja toiteväljade jaoks (PROFIBUS DP analoog teiste füüsikaliste omadustega). PROFINET-i plahvatuskindlat protokolli PROFIBUS-e analoogina ei eksisteeri veel.
3. PROFIBUS FMS — on mõeldud andmevahetuseks teiste tootjate süsteemide vahel, mis ei saa kasutada PROFIBUS DP-d. PROFIBUS FMS-i analoog PROFINET-võrgus on PROFINET CBA protokoll.

PROFINET-i jaoks:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

PROFINET IO protokoll jaguneb mitmeks klassiks:

• PROFINET NRT (ilma reaalajas) - kasutatakse rakendustes, kus ajaparametrid ei ole kriitilised. See kasutab andmeedastusprotokolli Ethernet TCP/IP ja UDP/IP.
• PROFINET RT (reaalajas) - siin toimub sisendi/väljundi andmete vahetamine Etherneti raamide abil, kuid diagnostilised andmed ja suhtlusandmed edastatakse endiselt UDP/IP kaudu. 
• PROFINET IRT (isookrone reaalajas) - see protokoll on loodud spetsiaalselt liikumise juhtimise rakendustele ja sisaldab isookronilist andmeedastusfaasi.

Mis puudutab PROFINET IRT range reaalajas protokolli rakendamist, siis kaugseadmestike suhtlemiseks on seal välja toodud kaks vahetuskanalit: isookrone ja asünkroonne. Isookrone kanal, mille tsükli vahetus on ajaliselt fikseeritud, kasutab taktisünkroniseerimist ja edastab ajast sõltuvaid andmeid, edastamiseks kasutatakse teise taseme telegramme. Isookronse kanali edastus ei ületa 1 millisekundit.

Asünkroonses kanalis edastatakse nn reaalaja andmeid, mida adresseeritakse MAC-aadressi kaudu. Lisaks edastatakse erinevat diagnostikainfot ja toetavat teavet TCP/IP kaudu. Ei reaalaja andmed ega muid andmeid ei saa ilmselgelt katkestada isookronilist tsüklit.

PROFINET IO laiendatud funktsioonide komplekti ei vajata kaugelki igas tööstusautomaatika süsteemis, seetõttu kohandatakse seda protokolli konkreetse projekti järgi, arvestades vastavusklasse või kasutusklasse (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Vastavusklassid võimaldavad valida välisseadmed ja bussikomponendid minimaalsete vajalike funktsioonidega. 

Allikas: PROFINET ülikooli õppetund

Teine PROFINET-i suhtlusprotokoll, PROFINET CBA, on mõeldud tööstusliku suhtluse korraldamiseks erinevate tootjate seadmete vahel. Tootmisüksus CBA süsteemides on mingi entiteet, mida nimetatakse komponendiks. See komponent koosneb tavaliselt seadme või süsteemi mehaanilisest, elektrilisest ja elektroonilisest osast, samuti vastavast rakendusprogrammist. Iga komponent valib tarkvaramooduli, mis sisaldab selle komponendi liidese täielikku kirjeldust PROFINET standardite nõuetele. Seejärel kasutatakse neid tarkvaramooduleid andmete vahetamiseks seadmetega. 

B&R Ethernet POWERLINK protokoll

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

Powerlink tehnoloogias kasutatakse nn segatud küsitluse mehhanismi, kus kõik seadmete vaheline suhtlus jaguneb mitmeks faasiks. Erakriitilised andmed edastatakse isokroonilises vahetusfaasis, mille jaoks seadistatakse vajalik reageerimisaeg, ülejäänud andmed edastatakse võimaluse korral asünkroonses faasis.

B&R kontroller koos sisend-väljundimoodulite komplekti. Allikas: br-automation.com

Alguses oli protokoll rakendatud 100Base-TX füüsilisel tasemel, kuid hiljem töötati välja ka gigabiti versioon.

Powerlink protokollis kasutatakse vahetuse planeerimise mehhanismi. Võrku saadetakse mingi marker või juhtsignaal, mille abil määratakse, milline seade omab hetkel õigust andmete vahetamiseks. Igal hetkel omab vahetusele juurde pääs ainult üks seade.

Skeemiline kujutis Ethernet POWERLINK võrgustikust mitme sõlmega.

Isokroonilises faasis saadab küsitav kontroller järjestikuseid päringuid igale sõlmele, millelt on vaja saada kriitilisi andmeid. 

Isohronfaas toimub nagu juba mainitud, konfigureeritava tsükli ajaga. Asünkroonses suhtlusfaasis kasutatakse IP-protokolli kihti, kus kontroller küsib mitte-kriitilisi andmeid kõigilt sõlmedelt, kes saadavad vastuse, kui nad saavad juurdepääsu võrgu edastusele. Isohronfaasi ja asünkroonsuse faasi ajasuhe on käsitsi konfigureeritav.

Rockwell Automationi Ethernet/IP protokoll

EtherNet/IP protokoll on välja töötatud Ameerika ettevõtte Rockwell Automation aktiivsel osalusel 2000. aastal. See kasutab TCP ja UDP IP kihti ning laiendab seda tööstusautomaatika rakendamiseks. Nimi sisaldab teist osa, mis vastupidiselt levinud arvamusele ei tähenda Interneti protokolli, vaid tööstusprotokolli. UDP IP kasutab CIP (Common Interface Protocol) protokolli sidekihi, mida kasutatakse ka ControlNet / DeviceNet võrkudes ja mis on rakendatud TCP/IP peal.

EtherNet/IP spetsifikatsioon on avalik ja selle levitamine on tasuta. Ethernet/IP võrgu topoloogia võib olla suvaline ning hõlmata ringi, tähte, puu või buss.

Lisaks HTTP, FTP, SMTP protokollide standardsetele funktsioonidele rakendab EtherNet/IP ajakriitiliste andmete edastamist küsitleva kontrolleri ja sisend/väljundseadmete vahel. Ajakriitiliste andmete edastamist tagavad TCP paketid, samas kui kriitiliste ajaga tsükliliste juhtimisandmete edastamine toimub UDP protokolli abil. 

Aja sünkroniseerimiseks jaotatud süsteemides kasutab EtherNet/IP CIPsync protokolli, mis on CIP protokolli kommunikatsiooni laiendus.

Skeem Ethernet/IP võrgust, millel on mitu sõlme ja Modbus-seadmete ühendus. Allikas: www.icpdas.com.tw

EtherNet/IP võrgu seadistamise lihtsustamiseks on enamikul standardsetest automaatikaseadmetest kaasas eelnevalt määratud konfiguratsioonifailid.

FBUS protokolli rakendamine ettevõttes Fastwel

Pikka aega mõtlesime, kas lisada sellesse nimekirja Venemaa ettevõte Fastwel koos oma kodumaise FBUS tööstusprotokolli rakendusega, kuid otsustasime siiski kirjutada paar lõiget, et paremini mõista importimise asendamise reaalsust.

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

FBUS ei ole just kiire protokoll, reageerimisaeg sõltub tugevalt bussil olevate sisend-väljundmodulite arvust ning vahetamise parameetritest, tavaliselt kõigub see 0,5–10 millisekundi vahel. Ühel alluva FBUS-õlil saab olla ainult 64 sisend-väljundmodulit. Väli bussiga ei tohi kaabli pikkus ületada 1 meetrit, seega ei saa rääkida hajutatud süsteemidest. Õigemini saab, kuid ainult siis, kui kasutatakse tööstuslikku FBUS-i TCP/IP peal, mis tähendab küsitava aja märkimisväärset suurenemist. Modulte ühendamiseks võivad kasutada bussipikendusi, mis võimaldavad mugavalt paigutada mooduleid automaatika kappidesse.

Fastwel kontroller koos ühendatud sisend-väljundmodulitega. Allikas: Control Engineering Venemaa

Kokkuvõtteks: kuidas seda kõik praktikas AÜT-s kasutatakse

Muidugi on kaasaegsete tööstuslike andedate protokollide sortiment palju ulatuslikum, kui me selles artiklis kirjeldasime. Mõned on seotud konkreetse tootjaga, samas kui teised on universaalsed. Automatiseeritud tehnoloogiaprotsessi juhtimissüsteemide (AÜT) väljatöötamisel valib insener optimaalsed protokollid, arvestades konkreetseid ülesandeid ja piiranguid (tehnilised ja eelarve).

Kui rääkida mõne vahetusprotokolli levimusest, siis saab tuua diagrammi ettevõttest HMS Networks AB, mis illustreerib turuosa erinevate vahetustehnoloogiate seas tööstuslikes võrkudes.

Allikas: HMS Networks AB

Nagu diagrammilt näha, on Siemens'e PRONET ja PROFIBUS juhtpositsioonidel.

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

Allolevas tabelis on kogutud andmed kirjeldatud vahetusprotokollide kohta. Mõned parameetrid, näiteks jõudlus on väljendatud abstraktsete terminitega: kõrge / madal. Numbrilised ekvivalentid on leitavad jõudluse analüüsi artiklites. 

Kirjeldatud suhtlusprotokollide, väliühenduste ja tööstuslike võrkude rakendamine on väga mitmekesine. Alates keemia- ja autotööstusest kuni õhutehnika ja elektroonikatootmiseni. Kiired suhtlusprotokollid on nõutud erinevate seadmete reaalajas positsioneerimissüsteemides ja robootikas.

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

Allikas: habr.com