rääkisime, kuidas töötavad siinid ja protokollid tööstusautomaatikas. Seekord keskendume kaasaegsetele töötavatele lahendustele: vaatame, milliseid protokolle kasutatakse süsteemides üle maailma. Vaatleme Saksa firmade Beckhoff ja Siemensi, Austria B&R, Ameerika Rockwell Automationi ja Vene Fastweli tehnoloogiaid. Samuti uurime universaalseid lahendusi, mis ei ole seotud konkreetse tootjaga, näiteks EtherCAT ja CAN.
Artikli lõpus on võrdlustabel protokollide EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP ja ModbusTCP omadustega.
Me ei lisanud ülevaatesse PRP, HSR, OPC UA ja teisi protokolle, kuna Meie kaasinseneridelt, kes arendavad tööstusautomaatikasüsteeme, on nende kohta juba Habres suurepäraseid artikleid. Näiteks, и .
Esmalt defineerime terminoloogia: Industrial Ethernet = tööstusvõrk, Fieldbus = väljasiin. Venemaa tööstusautomaatikas valitseb segadus seoses välibussi ja madalama tasandi tööstusvõrguga. Sageli on need mõisted ühendatud üheks ebamääraseks mõisteks, mida nimetatakse "madalamaks tasemeks", mida nimetatakse nii väljasiiniks kui ka alamtaseme siiniks, kuigi see ei pruugi üldse siin olla.
Miks nii?Tõenäoliselt on see segadus tingitud asjaolust, et paljudes kaasaegsetes kontrollerites on sisend-väljundmoodulite ühendamine sageli tagaplaani või füüsilise siini abil. See tähendab, et teatud siinikontakte ja pistikuid kasutatakse mitme mooduli ühendamiseks üheks tervikuks. Kuid selliseid sõlme saab omakorda ühendada nii tööstusvõrgu kui ka väljasiini abil. Lääne terminoloogias on selge jaotus: võrk on võrk, buss on siin. Esimest tähistatakse terminiga Industrial Ethernet, teist - Fieldbus. Artiklis tehakse ettepanek kasutada nende mõistete puhul vastavalt mõisteid “tööstusvõrk” ja “väljabuss”.
Tööstusvõrgu standard EtherCAT, mille on välja töötanud Beckhoff
EtherCAT-protokoll ja tööstusvõrk on tänapäeval võib-olla üks kiiremaid andmeedastusmeetodeid automaatikasüsteemides. EtherCAT võrku kasutatakse edukalt hajutatud automatiseerimissüsteemides, kus interakteeruvad sõlmed on eraldatud pikkade vahemaade tagant.
EtherCAT-protokoll kasutab oma telegrammide edastamiseks standardseid Etherneti kaadreid, nii et see ühildub kõigi standardsete Etherneti seadmetega ning tegelikult saab andmete vastuvõtmist ja edastamist korraldada mis tahes Etherneti kontrolleril, eeldusel, et on olemas vastav tarkvara.
Beckhoffi kontroller koos I/O moodulite komplektiga. Allikas:
Protokolli spetsifikatsioon on avatud ja saadaval, kuid ainult arendusühingu - EtherCAT Technology Group - raames.
EtherCAT töötab järgmiselt (vaatemäng on lummav, nagu mäng Zuma Inca):
Selle protokolli suur vahetuskiirus - ja me võime rääkida mikrosekundiühikutest - on realiseeritud tänu sellele, et arendajad keeldusid vahetamast telegramme, mis saadeti otse konkreetsele seadmele. Selle asemel saadetakse EtherCAT-võrku üks telegramm, mis on adresseeritud korraga kõikidele seadmetele, millest kõik teabe kogumiseks ja edastamiseks mõeldud alamsõlmed (neid nimetatakse sageli ka OSO-ks - objektisideseade) võtab sellest "lennult". andmed, mis selle jaoks olid ette nähtud, ja lisab telegrammi andmed, mida ta on valmis vahetamiseks edastama. Seejärel saadetakse telegramm järgmisele alamsõlmele, kus toimub sama toiming. Pärast kõigi juhtseadmete läbimist suunatakse telegramm tagasi põhikontrollerile, mis alamseadmetelt saadud andmete põhjal rakendab juhtimisloogikat, suheldes uuesti telegrammi kaudu alluvate sõlmedega, mis väljastavad juhtsignaali. varustus.
EtherCAT-võrgul võib olla mis tahes topoloogia, kuid sisuliselt on see alati ring – täisdupleksrežiimi ja kahe Etherneti pistiku kasutamise tõttu. Sel viisil edastatakse telegramm alati järjestikku igasse siini seadmesse.
Mitme sõlmega Ethercati võrgu skemaatiline esitus. Allikas:
Muide, EtherCAT spetsifikatsioon ei sisalda piiranguid 100Base-TX füüsilisele kihile, seega on protokolli juurutamine võimalik gigabitise ja optiliste liinide põhjal.
Avatud tööstusvõrgud ja Siemensi PROFIBUS/NET-standardid
Saksa kontsern Siemens on juba ammu tuntud oma programmeeritavate loogikakontrollerite (PLC) poolest, mida kasutatakse kogu maailmas.
Siemensi seadmetega juhitava automatiseeritud süsteemi sõlmede vaheline andmevahetus toimub nii PROFIBUS-nimelise väljasiini kaudu kui ka PROFINETi tööstusvõrgus.
PROFIBUS-siin kasutab spetsiaalset kahesoonelist DB-9 pistikutega kaablit. Siemensil on see lillas, aga praktikas oleme näinud teisigi :). Mitme sõlme ühendamiseks saab konnektoriga ühendada kaks kaablit. Sellel on ka lüliti terminali takisti jaoks. Võrgu lõppseadmetes peab olema sisse lülitatud terminali takisti, mis näitab, et see on esimene või viimane seade ja pärast seda pole midagi, on ainult pimedus ja tühjus (kõik rs485-d töötavad nii). Kui lülitate vahepistikul sisse takisti, lülitatakse sellele järgnev osa välja.
PROFIBUS-kaabel koos ühenduspistikutega. Allikas:
PROFINET-võrgus kasutatakse analoog-keerdpaarkaablit, tavaliselt RJ-45 pistikutega, kaabel on värvitud roheliseks. Kui PROFIBUS-i topoloogiaks on siin, siis PROFINET-võrgu topoloogia võib olla ükskõik milline: rõngas, täht, puu või kõik koos.
Siemensi kontroller ühendatud PROFINET-kaabliga. Allikas: w3.siemens.com
PROFIBUS-siinil ja PROFINET-võrgus on mitu sideprotokolli.
PROFIBUSi jaoks:
- PROFIBUS DP - selle protokolli rakendamine hõlmab sidet kaugjuhitavate alamseadmetega, PROFINETi puhul vastab see protokoll PROFINET IO protokollile.
- PROFIBUS PA on sisuliselt sama mis PROFIBUS DP, kasutatakse ainult andmeedastuse ja toiteallika plahvatuskindlate versioonide jaoks (analoogselt erinevate füüsikaliste omadustega PROFIBUS DP-ga). PROFINETi jaoks pole PROFIBUS-ile sarnast plahvatuskindlat protokolli veel olemas.
- PROFIBUS FMS - mõeldud andmevahetuseks teiste tootjate süsteemidega, mis ei saa PROFIBUS DP-d kasutada. PROFIBUS FMS analoog PROFINET võrgus on PROFINET CBA protokoll.
PROFINETi jaoks:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO protokoll on jagatud mitmeks klassiks:
- PROFINET NRT (non-real time) – kasutatakse rakendustes, kus ajastusparameetrid ei ole kriitilised. See kasutab nii Etherneti TCP/IP andmeedastusprotokolli kui ka UDP/IP-d.
- PROFINET RT (reaalajas) - siin on I/O andmevahetus realiseeritud Etherneti raamide abil, kuid diagnostika- ja sideandmed edastatakse siiski UDP/IP kaudu.
- PROFINET IRT (isokroonne reaalajas) – see protokoll töötati välja spetsiaalselt liikumisjuhtimise rakenduste jaoks ja sisaldab isokroonset andmeedastusfaasi.
Mis puutub PROFINET IRT kõva reaalajas protokolli, siis kaugseadmetega suhtlemiseks eristab see kahte vahetuskanalit: isokroonset ja asünkroonset. Fikseeritud vahetustsükli pikkusega isokroonne kanal kasutab kella sünkroniseerimist ja edastab ajakriitilisi andmeid, edastamiseks kasutatakse teise taseme telegramme. Edastamise kestus isokroonses kanalis ei ületa 1 millisekundit.
Asünkroonne kanal edastab nn reaalajas andmeid, mis on samuti adresseeritud MAC-aadressi kaudu. Lisaks edastatakse TCP/IP kaudu mitmesugust diagnostilist ja abiteavet. Reaalajas andmed, veel vähem muu teave, ei saa muidugi isokroonset tsüklit katkestada.
Laiendatud PROFINET IO funktsioonide komplekti pole iga tööstusautomaatikasüsteemi jaoks vaja, seega on see protokoll skaleeritud konkreetse projekti jaoks, võttes arvesse vastavusklasse või vastavusklasse: CC-A, CC-B, CC-CC. Vastavusklassid võimaldavad valida minimaalse nõutava funktsionaalsusega väliseadmeid ja magistraalkomponente.
Allikas:
Erinevate tootjate seadmete vahelise tööstusliku side korraldamiseks kasutatakse teist PROFINET-võrgu vahetusprotokolli - PROFINET CBA. Peamine tootmisüksus IAS-süsteemides on teatud üksus, mida nimetatakse komponendiks. See komponent on tavaliselt seadme või paigaldise mehaaniliste, elektriliste ja elektrooniliste osade kogum, samuti seotud rakendustarkvara. Iga komponendi jaoks valitakse tarkvaramoodul, mis sisaldab selle komponendi liidese täielikku kirjeldust vastavalt PROFINET standardi nõuetele. Pärast seda kasutatakse neid tarkvaramooduleid seadmetega andmete vahetamiseks.
B&R Etherneti POWERLINK-protokoll
Powerlinki protokolli töötas välja Austria firma B&R 2000. aastate alguses. See on veel üks reaalajas protokolli teostus Etherneti standardi kõrval. Protokolli spetsifikatsioon on saadaval ja levitatakse vabalt.
Powerlinki tehnoloogia kasutab nn segaküsitluse mehhanismi, kui kogu seadmetevaheline suhtlus on jagatud mitmeks faasiks. Eriti kriitilised andmed edastatakse isokroonse vahetuse faasis, mille jaoks on konfigureeritud vajalik reageerimisaeg, ülejäänud andmed edastatakse võimalusel asünkroonses faasis.
B&R kontroller koos I/O moodulite komplektiga. Allikas: br-automation.com
Algselt rakendati protokolli 100Base-TX füüsilise kihi peal, kuid hiljem töötati välja gigabitine teostus.
Powerlinki protokoll kasutab side ajastamise mehhanismi. Võrku saadetakse kindel marker ehk kontrollteade, mille abil tehakse kindlaks, millisel seadmel on parajasti andmete vahetamise luba. Börsile saab korraga juurde pääseda ainult üks seade.
Mitme sõlmega Etherneti POWERLINK-võrgu skemaatiline esitus.
Isokroonses faasis saadab küsitluskontroller järjestikku päringu igale sõlmele, kust ta vajab kriitilisi andmeid vastu võtma.
Nagu juba mainitud, teostatakse isokroonne faas reguleeritava tsükliajaga. Vahetuse asünkroonses faasis kasutatakse IP-protokolli pinu, kontroller küsib mittekriitilisi andmeid kõigilt sõlmedelt, mis saadavad vastuse, kui saavad juurdepääsu võrku edastamiseks. Aja suhet isokroonse ja asünkroonse faasi vahel saab käsitsi reguleerida.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokoll
Protokoll EtherNet/IP töötati välja Ameerika ettevõtte Rockwell Automation aktiivsel osalusel 2000. aastal. See kasutab TCP ja UDP IP-pinu ning laiendab seda tööstusautomaatika rakenduste jaoks. Nime teine osa ei tähenda vastupidiselt levinud arvamusele mitte Interneti-protokolli, vaid tööstusprotokolli. UDP IP kasutab CIP (Common Interface Protocol) sidepinu, mida kasutatakse ka ControlNeti/DeviceNeti võrkudes ja mis on rakendatud TCP/IP peale.
EtherNet/IP spetsifikatsioon on avalikult ja vabalt saadaval. Etherneti/IP võrgu topoloogia võib olla suvaline ja sisaldada rõngast, tähte, puu või siini.
Lisaks HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokollide standardfunktsioonidele rakendab see ajakriitiliste andmete edastamist küsitluskontrolleri ja I/O seadmete vahel. Mitte-ajakriitiliste andmete edastamine toimub TCP-pakettidega ja tsükliliste juhtandmete ajakriitiline edastamine toimub UDP-protokolli kaudu.
Aja sünkroonimiseks hajussüsteemides kasutab EtherNet/IP protokolli CIPsync, mis on CIP-sideprotokolli laiendus.
Mitme sõlmega ja Modbus-seadmete ühendusega Ethernet/IP võrgu skemaatiline esitus. Allikas:
EtherNeti/IP-võrgu seadistamise lihtsustamiseks on enamikul standardsetel automatiseerimisseadmetel eelnevalt määratletud konfiguratsioonifailid.
FBUS-protokolli rakendamine Fastwelis
Mõtlesime pikka aega, kas lisada sellesse nimekirja ka Venemaa ettevõte Fastwel koos FBUS-i tööstusprotokolli kodumaise juurutamisega, kuid siis otsustasime kirjutada paar lõiku, et paremini mõista impordi asendamise tegelikkust.
FBUS-il on kaks füüsilist teostust. Üks neist on siin, milles FBUS-protokoll töötab lisaks RS485 standardile. Lisaks on FBUS-i rakendamine tööstuslikus Etherneti võrgus.
FBUS-i saab vaevalt nimetada kiireks protokolliks, reaktsiooniaeg sõltub tugevalt siini sisend-väljundmoodulite arvust ja vahetusparameetritest, tavaliselt jääb see vahemikku 0,5–10 millisekundit. Üks FBUS-i alluv sõlm võib sisaldada ainult 64 I/O moodulit. Väljasiini puhul ei tohi kaabli pikkus ületada 1 meetrit, seega ei räägi me hajutatud süsteemidest. Õigemini küll, aga ainult tööstusliku FBUS-võrgu kasutamisel üle TCP/IP, mis tähendab küsitlusaja pikenemist kordades. Moodulite ühendamiseks saab kasutada siini pikendusjuhtmeid, mis võimaldab mooduleid mugavalt paigutada automaatikakappi.
Fastweli kontroller ühendatud I/O moodulitega. Allikas:
Kokku: kuidas seda kõike automatiseeritud protsessijuhtimissüsteemides praktikas kasutatakse
Loomulikult on tänapäevaste tööstuslike andmeedastusprotokollide valik palju suurem, kui selles artiklis kirjeldasime. Mõned on seotud konkreetse tootjaga, mõned on vastupidi universaalsed. Automatiseeritud protsessijuhtimissüsteemide (APCS) väljatöötamisel valib insener optimaalsed protokollid, võttes arvesse konkreetseid ülesandeid ja piiranguid (tehnilisi ja eelarvelisi).
Kui räägime konkreetse vahetusprotokolli levimusest, saame esitada ettevõtte diagrammi HMS Networks AB, mis illustreerib erinevate vahetustehnoloogiate turuosasid tööstusvõrkudes.
Allikas:
Nagu diagrammil näha, on Siemensi PRONET ja PROFIBUS juhtivad positsioonid.
Huvitaval kombel 6 aastat tagasi .
Allolev tabel sisaldab kokkuvõtlikke andmeid kirjeldatud vahetusprotokollide kohta. Mõned parameetrid, näiteks jõudlus, on väljendatud abstraktselt: kõrge / madal. Numbrilised ekvivalendid leiate jõudlusanalüüsi artiklitest.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Füüsiline kiht
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Andmete tase
|
Kanal (Etherneti raamid)
|
Kanal (Etherneti raamid)
|
Kanal (Etherneti kaadrid), võrk/transport (TCP/IP)
|
Võrk/transport (TCP/IP)
|
Võrk/transport (TCP/IP)
|
|
Reaalajas tugi
|
Jah
|
Jah
|
Jah
|
Jah
|
ei
|
|
Производительность
|
Kõrge
|
Kõrge
|
IRT – kõrge, RT – keskmine
|
Keskmine
|
Madal
|
|
Kaabli pikkus sõlmede vahel
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Ülekandefaasid
|
ei
|
Isokroonne + asünkroonne
|
IRT – isokroonne + asünkroonne, RT – asünkroonne
|
ei
|
ei
|
|
Sõlmede arv
|
65535
|
240
|
TCP/IP võrgu piirang
|
TCP/IP võrgu piirang
|
TCP/IP võrgu piirang
|
|
Kokkupõrke lahendus
|
Rõnga topoloogia
|
Kella sünkroniseerimine, edastusfaasid
|
Rõnga topoloogia, ülekandefaasid
|
Lülitid, tähe topoloogia
|
Lülitid, tähe topoloogia
|
|
Kuum vahetus
|
ei
|
Jah
|
Jah
|
Jah
|
Olenevalt teostusest
|
|
Seadmete maksumus
|
Madal
|
Madal
|
Kõrge
|
Keskmine
|
Madal
|
Kirjeldatud vahetusprotokollide, väljasiinide ja tööstusvõrkude kasutusvaldkonnad on väga mitmekesised. Alates keemia- ja autotööstusest kuni kosmosetehnoloogia ja elektroonikatööstuseni. Kiired vahetusprotokollid on nõudlikud erinevate seadmete reaalajas positsioneerimissüsteemides ja robootikas.
Milliste protokollidega töötasite ja kus neid rakendasite? Jagage oma kogemusi kommentaarides. 🙂
Allikas: www.habr.com