بررسی پروتکل های مدرن در سیستم های اتوماسیون صنعتی

در انتشار قبلی ما در مورد نحوه عملکرد اتوبوس ها و پروتکل ها در اتوماسیون صنعتی صحبت کردیم. این بار ما بر روی راه حل های کاری مدرن تمرکز خواهیم کرد: به بررسی پروتکل هایی خواهیم پرداخت که در سیستم های سراسر جهان استفاده می شود. بیایید فناوری های شرکت های آلمانی Beckhoff و Siemens، B&R اتریشی، Rockwell Automation آمریکایی و Fastwel روسی را در نظر بگیریم. ما همچنین راه حل های جهانی را که به یک سازنده خاص مرتبط نیستند، مانند EtherCAT و CAN، مطالعه خواهیم کرد. 

در پایان مقاله جدول مقایسه ای با مشخصات پروتکل های EtherCAT، POWERLINK، PROFINET، EtherNet/IP و ModbusTCP وجود خواهد داشت.

ما پروتکل‌های PRP، HSR، OPC UA و سایر پروتکل‌ها را در بررسی لحاظ نکردیم، زیرا قبلاً مقالات بسیار خوبی در Habré در مورد آنها توسط مهندسان همکار ما که در حال توسعه سیستم های اتوماسیون صنعتی هستند وجود دارد. مثلا، پروتکل‌های افزونگی «بدون درز» PRP و HSR» и دروازه های پروتکل های تبادل صنعتی در لینوکس. خودت جمع کن".

ابتدا اجازه دهید اصطلاحات را تعریف کنیم: اترنت صنعتی = شبکه صنعتی، فیلدباس = باس میدان. در اتوماسیون صنعتی روسیه، سردرگمی در رابطه با گذرگاه میدان و شبکه صنعتی سطح پایین وجود دارد. اغلب این اصطلاحات در یک مفهوم واحد و مبهم به نام «سطح پایین» ترکیب می‌شوند که هم به‌عنوان گذرگاه فیلد باس و هم گذرگاه زیرسطحی شناخته می‌شود، اگرچه ممکن است اصلاً اتوبوس نباشد.

چرا؟این سردرگمی به احتمال زیاد به این دلیل است که در بسیاری از کنترل‌کننده‌های مدرن، اتصال ماژول‌های I/O اغلب با استفاده از یک backplane یا یک گذرگاه فیزیکی اجرا می‌شود. به این معنا که از کنتاکت ها و کانکتورهای باس خاصی برای ترکیب چندین ماژول در یک واحد استفاده می شود. اما چنین گره هایی به نوبه خود می توانند هم توسط یک شبکه صنعتی و هم توسط یک فیلد باس به هم متصل شوند. در اصطلاح غربی یک تقسیم بندی واضح وجود دارد: یک شبکه یک شبکه است، یک اتوبوس یک اتوبوس است. اولین مورد با اصطلاح اترنت صنعتی و دومی با Fieldbus مشخص شده است. در این مقاله پیشنهاد شده است که برای این مفاهیم از اصطلاح "شبکه صنعتی" و "فیلد باس" استفاده شود.

استاندارد شبکه صنعتی EtherCAT که توسط Beckhoff توسعه یافته است

پروتکل EtherCAT و شبکه صنعتی شاید یکی از سریع ترین روش های انتقال داده در سیستم های اتوماسیون امروزی باشد. شبکه EtherCAT با موفقیت در سیستم های اتوماسیون توزیع شده استفاده می شود، جایی که گره های تعاملی در فواصل طولانی از هم جدا می شوند.

پروتکل EtherCAT از فریم‌های استاندارد اترنت برای انتقال تلگرام‌های خود استفاده می‌کند، بنابراین با هر تجهیزات استاندارد اترنت سازگار است و در واقع، دریافت و انتقال داده‌ها را می‌توان بر روی هر کنترل‌کننده اترنت سازماندهی کرد، به شرطی که نرم‌افزار مناسب در دسترس باشد.

کنترلر Beckhoff با مجموعه ای از ماژول های I/O. منبع: www.beckhoff.de

مشخصات پروتکل باز و در دسترس است، اما فقط در چارچوب انجمن توسعه - گروه فناوری EtherCAT.

در اینجا نحوه عملکرد EtherCAT آمده است (این عینک مانند بازی زوما اینکا مسحور کننده است):

سرعت بالای تبادل در این پروتکل - و می توان در مورد واحدهای میکروثانیه صحبت کرد - به این دلیل است که توسعه دهندگان از تبادل با استفاده از تلگرام ارسال شده مستقیم به یک دستگاه خاص خودداری کردند. در عوض، یک تلگرام به شبکه EtherCAT ارسال می‌شود که به طور همزمان به همه دستگاه‌ها آدرس داده می‌شود، هر یک از گره‌های برده برای جمع‌آوری و انتقال اطلاعات (که اغلب به آنها OSO - دستگاه ارتباطی شی نیز گفته می‌شود) از آن «در پرواز» می‌گیرد. داده هایی که برای آن در نظر گرفته شده است و داده هایی را که برای تبادل آماده است در تلگرام درج می کند. سپس تلگرام به نود برده بعدی فرستاده می شود، جایی که همان عملیات انجام می شود. پس از عبور از تمام دستگاه های کنترلی، تلگرام به کنترل کننده اصلی بازگردانده می شود که بر اساس داده های دریافتی از دستگاه های برده، منطق کنترل را پیاده سازی می کند و دوباره از طریق تلگرام با گره های برده تعامل برقرار می کند که سیگنال کنترلی را صادر می کند. تجهیزات.

یک شبکه EtherCAT می تواند هر توپولوژی داشته باشد، اما در اصل همیشه یک حلقه خواهد بود - به دلیل استفاده از حالت دوطرفه کامل و دو اتصال دهنده اترنت. به این ترتیب تلگرام همیشه به صورت متوالی به هر دستگاهی در اتوبوس منتقل می شود.

نمایش شماتیک یک شبکه Ethercat با چندین گره. منبع: realpars.com

به هر حال، مشخصات EtherCAT محدودیتی در لایه فیزیکی 100Base-TX ندارد، بنابراین اجرای پروتکل بر اساس خطوط گیگابیتی و نوری امکان پذیر است.

شبکه های صنعتی باز و استانداردهای PROFIBUS/NET از زیمنس

شرکت آلمانی زیمنس مدت‌هاست که به دلیل کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) که در سراسر جهان استفاده می‌شوند، شناخته شده است.

تبادل داده بین گره های یک سیستم خودکار که توسط تجهیزات زیمنس کنترل می شود، هم از طریق یک فیلد باس به نام PROFIBUS و هم در شبکه صنعتی PROFINET انجام می شود.

باس PROFIBUS از یک کابل دو هسته ای ویژه با کانکتورهای DB-9 استفاده می کند. زیمنس آن را به رنگ بنفش دارد، اما ما دیگران را در عمل دیده ایم :). برای اتصال چندین گره، یک کانکتور می تواند دو کابل را به هم متصل کند. همچنین دارای یک سوئیچ برای مقاومت ترمینال است. مقاومت ترمینال باید در دستگاه های انتهایی شبکه روشن شود، بنابراین نشان می دهد که این اولین یا آخرین دستگاه است و بعد از آن چیزی وجود ندارد، فقط تاریکی و خالی است (همه rs485 ها اینگونه کار می کنند). اگر یک مقاومت را در کانکتور میانی روشن کنید، بخش زیر آن خاموش می شود.

کابل PROFIBUS با کانکتورهای اتصال. منبع: VIPA ControlsAmerica

شبکه PROFINET از یک کابل جفت پیچ خورده آنالوگ استفاده می کند که معمولاً با کانکتورهای RJ-45، کابل به رنگ سبز است. اگر توپولوژی PROFIBUS یک اتوبوس باشد، توپولوژی شبکه PROFINET می تواند هر چیزی باشد: یک حلقه، یک ستاره، یک درخت یا همه چیز ترکیبی.

کنترلر زیمنس با کابل PROFINET متصل. منبع: w3.siemens.com

چندین پروتکل ارتباطی در گذرگاه PROFIBUS و در شبکه PROFINET وجود دارد.

برای PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - اجرای این پروتکل شامل ارتباط با دستگاه های برده راه دور است؛ در مورد PROFINET، این پروتکل با پروتکل PROFINET IO مطابقت دارد.
2. PROFIBUS PA اساساً همان PROFIBUS DP است که فقط برای نسخه های ضد انفجار انتقال داده و منبع تغذیه (مشابه PROFIBUS DP با خواص فیزیکی متفاوت) استفاده می شود. برای PROFINET، پروتکل ضد انفجار مشابه PROFIBUS هنوز وجود ندارد.
3. PROFIBUS FMS - طراحی شده برای تبادل داده با سیستم های تولید کنندگان دیگر که نمی توانند از PROFIBUS DP استفاده کنند. آنالوگ PROFIBUS FMS در شبکه PROFINET پروتکل PROFINET CBA است.

برای PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. CBA PROFINET.

پروتکل PROFINET IO به چند کلاس تقسیم می شود:

• PROFINET NRT (غیر زمان واقعی) - در برنامه هایی استفاده می شود که پارامترهای زمان بندی حیاتی نیستند. از پروتکل انتقال داده اترنت TCP/IP و همچنین UDP/IP استفاده می کند.
• PROFINET RT (زمان واقعی) - در اینجا تبادل داده I/O با استفاده از فریم های اترنت اجرا می شود، اما داده های تشخیصی و ارتباطی همچنان از طریق UDP/IP منتقل می شوند. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - این پروتکل به طور خاص برای برنامه های کاربردی کنترل حرکت توسعه یافته است و شامل یک فاز انتقال داده هم زمان است.

در مورد اجرای پروتکل سخت بیدرنگ PROFINET IRT، برای ارتباطات با دستگاه های راه دور دو کانال مبادله را متمایز می کند: هم زمان و ناهمزمان. یک کانال هم زمان با طول چرخه تبادل ثابت از همگام سازی ساعت استفاده می کند و داده های حساس زمانی را منتقل می کند؛ تلگرام های سطح دوم برای انتقال استفاده می شوند. مدت زمان انتقال در یک کانال هم زمان از 1 میلی ثانیه تجاوز نمی کند.

کانال ناهمزمان به اصطلاح داده های بلادرنگ را منتقل می کند که از طریق آدرس MAC نیز آدرس دهی می شود. علاوه بر این، اطلاعات مختلف تشخیصی و کمکی از طریق TCP/IP منتقل می شود. البته نه داده های بلادرنگ و نه اطلاعات دیگر، البته نمی توانند چرخه هم زمان را قطع کنند.

مجموعه گسترده‌ای از توابع PROFINET IO برای هر سیستم اتوماسیون صنعتی مورد نیاز نیست، بنابراین این پروتکل برای یک پروژه خاص، با در نظر گرفتن کلاس‌های انطباق یا کلاس‌های انطباق، مقیاس‌بندی می‌شود: CC-A، CC-B، CC-CC. کلاس های انطباق به شما امکان می دهد دستگاه های میدانی و اجزای ستون فقرات را با حداقل عملکرد مورد نیاز انتخاب کنید. 

منبع: درس دانشگاه PROFINET

پروتکل دوم تبادل در شبکه PROFINET - PROFINET CBA - برای سازماندهی ارتباطات صنعتی بین تجهیزات تولید کنندگان مختلف استفاده می شود. واحد تولیدی اصلی در سیستم های IAS موجودیت خاصی به نام کامپوننت است. این جزء معمولاً مجموعه ای از قطعات مکانیکی، الکتریکی و الکترونیکی یک دستگاه یا تاسیسات و همچنین نرم افزارهای کاربردی مرتبط است. برای هر کامپوننت یک ماژول نرم افزاری انتخاب می شود که حاوی توضیحات کاملی از رابط این کامپوننت مطابق با الزامات استاندارد PROFINET می باشد. پس از آن از این ماژول های نرم افزاری برای تبادل داده با دستگاه ها استفاده می شود. 

پروتکل B&R اترنت POWERLINK

پروتکل Powerlink توسط شرکت اتریشی B&R در اوایل دهه 2000 توسعه یافت. این یکی دیگر از اجرای پروتکل بلادرنگ در بالای استاندارد اترنت است. مشخصات پروتکل در دسترس است و آزادانه توزیع می شود. 

فناوری پاورلینک از یک مکانیسم به اصطلاح نظرسنجی ترکیبی استفاده می کند، زمانی که تمام تعامل بین دستگاه ها به چند فاز تقسیم می شود. به خصوص داده های حیاتی در فاز تبادل هم زمان ارسال می شود، که زمان پاسخ مورد نیاز برای آن پیکربندی شده است؛ داده های باقی مانده در صورت امکان، در فاز ناهمزمان منتقل می شوند.

کنترلر B&R با مجموعه ای از ماژول های ورودی/خروجی. منبع: br-automation.com

این پروتکل ابتدا در بالای لایه فیزیکی 100Base-TX پیاده سازی شد، اما بعداً یک پیاده سازی گیگابیتی توسعه یافت.

پروتکل پاورلینک از مکانیزم زمانبندی ارتباطی استفاده می کند. نشانگر یا پیام کنترلی خاصی به شبکه ارسال می شود که با کمک آن مشخص می شود که کدام یک از دستگاه ها در حال حاضر مجوز تبادل داده را دارند. فقط یک دستگاه می تواند در یک زمان به صرافی دسترسی داشته باشد.

نمایش شماتیک یک شبکه اترنت POWERLINK با چندین گره.

در مرحله هم زمان، کنترل کننده نظرسنجی به طور متوالی درخواستی را به هر گره ای که نیاز به دریافت داده های حیاتی از آن دارد ارسال می کند. 

فاز هم زمان، همانطور که قبلا ذکر شد، با زمان چرخه قابل تنظیم انجام می شود. در مرحله ناهمزمان مبادله، پشته پروتکل IP استفاده می شود، کنترل کننده داده های غیر بحرانی را از همه گره ها درخواست می کند، که با دسترسی به شبکه برای ارسال به شبکه، پاسخی را ارسال می کنند. نسبت زمانی بین فازهای هم زمان و ناهمزمان را می توان به صورت دستی تنظیم کرد.

پروتکل اترنت/IP اتوماسیون راکول

پروتکل EtherNet/IP با مشارکت فعال شرکت آمریکایی Rockwell Automation در سال 2000 توسعه یافت. از پشته IP TCP و UDP استفاده می کند و آن را برای برنامه های اتوماسیون صنعتی گسترش می دهد. قسمت دوم نام برخلاف تصور عموم به معنای پروتکل اینترنت نیست، بلکه به معنای پروتکل صنعتی است. IP UDP از پشته ارتباطی CIP (پروتکل رابط مشترک) استفاده می کند که در شبکه های ControlNet/DeviceNet نیز استفاده می شود و در بالای TCP/IP پیاده سازی می شود.

مشخصات EtherNet/IP به صورت عمومی و رایگان در دسترس است. توپولوژی شبکه اترنت/IP می تواند دلخواه باشد و شامل حلقه، ستاره، درخت یا اتوبوس باشد.

علاوه بر عملکردهای استاندارد پروتکل‌های HTTP، FTP، SMTP، EtherNet/IP، انتقال داده‌های حساس زمانی را بین کنترل‌کننده نظرسنجی و دستگاه‌های ورودی/خروجی پیاده‌سازی می‌کند. انتقال داده‌های غیر بحرانی توسط بسته‌های TCP ارائه می‌شود و تحویل داده‌های کنترل چرخه‌ای با زمان بحرانی از طریق پروتکل UDP انجام می‌شود. 

برای همگام سازی زمان در سیستم های توزیع شده، EtherNet/IP از پروتکل CIPsync استفاده می کند که توسعه پروتکل ارتباطی CIP است.

نمایش شماتیک یک شبکه اترنت/IP با چندین گره و اتصال دستگاه های Modbus. منبع: www.icpdas.com.tw

برای ساده کردن راه اندازی شبکه اترنت/IP، اکثر دستگاه های اتوماسیون استاندارد با فایل های پیکربندی از پیش تعریف شده عرضه می شوند.

پیاده سازی پروتکل FBUS در Fastwel

ما برای مدت طولانی فکر می کردیم که آیا شرکت روسی Fastwel را با اجرای داخلی پروتکل صنعتی FBUS در این لیست قرار دهیم، اما سپس تصمیم گرفتیم برای درک بهتر واقعیت های جایگزینی واردات، چند پاراگراف بنویسیم.

دو پیاده سازی فیزیکی از FBUS وجود دارد. یکی از آنها اتوبوسی است که در آن پروتکل FBUS بر روی استاندارد RS485 اجرا می شود. علاوه بر این، پیاده سازی FBUS در یک شبکه اترنت صنعتی وجود دارد.

FBUS را به سختی می توان یک پروتکل پرسرعت نامید؛ زمان پاسخ به شدت به تعداد ماژول های ورودی/خروجی روی گذرگاه و پارامترهای تبادل بستگی دارد؛ معمولاً بین 0,5 تا 10 میلی ثانیه است. یک گره Slave FBUS فقط می تواند شامل 64 ماژول I/O باشد. برای فیلدباس، طول کابل نمی تواند از 1 متر تجاوز کند، بنابراین ما در مورد سیستم های توزیع شده صحبت نمی کنیم. یا بهتر است بگوییم، این کار را انجام می دهد، اما فقط در هنگام استفاده از یک شبکه صنعتی FBUS از طریق TCP/IP، که به معنای افزایش چندین برابری زمان نظرسنجی است. برای اتصال ماژول ها می توان از سیم های اکستنشن اتوبوس استفاده کرد که امکان قرار دادن راحت ماژول ها در کابینت اتوماسیون را فراهم می کند.

کنترلر Fastwel با ماژول های I/O متصل. منبع: مهندسی کنترل روسیه

مجموع: چگونه از همه اینها در عمل در سیستم های کنترل فرآیند خودکار استفاده می شود

طبیعتاً تنوع انواع پروتکل های مدرن انتقال داده صنعتی بسیار بیشتر از آن چیزی است که در این مقاله توضیح دادیم. برخی به یک تولید کننده خاص گره خورده اند، برخی برعکس، جهانی هستند. هنگام توسعه سیستم های کنترل فرآیند خودکار (APCS)، مهندس پروتکل های بهینه را با در نظر گرفتن وظایف و محدودیت های خاص (فنی و بودجه) انتخاب می کند.

اگر در مورد شیوع یک پروتکل مبادله ای خاص صحبت کنیم، می توانیم نموداری از شرکت ارائه دهیم HMS Networks AB، که سهم بازار فناوری های مختلف مبادله ای در شبکه های صنعتی را نشان می دهد.

منبع: HMS Networks AB

همانطور که در نمودار مشاهده می شود، PRONET و PROFIBUS از زیمنس در جایگاه های برتر قرار دارند.

جالبه 6 سال پیش 60 درصد بازار را پروتکل های PROFINET و Ethernet/IP اشغال کردند.

جدول زیر حاوی داده های خلاصه در مورد پروتکل های تبادل توصیف شده است. برخی از پارامترها، به عنوان مثال، عملکرد، به صورت انتزاعی بیان می شوند: زیاد / کم. معادل های عددی را می توان در مقالات تحلیل عملکرد یافت. 

	EtherCAT	POWERLINK	PROFINET	اترنت/IP	ModbusTCP
لایه فیزیکی	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
سطح داده	کانال (فریم های اترنت)	کانال (فریم های اترنت)	کانال (فریم های اترنت)، شبکه/حمل و نقل (TCP/IP)	شبکه/حمل و نقل (TCP/IP)	شبکه/حمل و نقل (TCP/IP)
پشتیبانی زمان واقعی	بله	بله	بله	بله	بدون
کارایی	زیاد	زیاد	IRT - زیاد، RT - متوسط	متوسط	پایین
طول کابل بین گره ها	100m	100 متر / 2 کیلومتر	100m	100m	100m
مراحل انتقال	بدون	هم زمان + ناهمزمان	IRT - هم زمان + ناهمزمان، RT - ناهمزمان	بدون	بدون
تعداد گره ها	65535	240	محدودیت شبکه TCP/IP	محدودیت شبکه TCP/IP	محدودیت شبکه TCP/IP
وضوح برخورد	توپولوژی حلقه	همگام سازی ساعت، مراحل انتقال	توپولوژی حلقه، فازهای انتقال	سوئیچ ها، توپولوژی ستاره	سوئیچ ها، توپولوژی ستاره
مبادله داغ	بدون	بله	بله	بله	بسته به اجرا
هزینه تجهیزات	پایین	پایین	زیاد	متوسط	پایین

حوزه های کاربرد پروتکل های تبادل توصیف شده، فیلدباس ها و شبکه های صنعتی بسیار متنوع است. از صنایع شیمیایی و خودرو گرفته تا فناوری هوافضا و تولید الکترونیک. پروتکل های تبادل با سرعت بالا در سیستم های موقعیت یابی بلادرنگ برای دستگاه های مختلف و در رباتیک مورد تقاضا هستند.

با چه پروتکل هایی کار کردید و کجا آنها را اعمال کردید؟ تجربه خود را در نظرات به اشتراک بگذارید. 🙂

منبع: www.habr.com