puhuimme siitä, kuinka väylät ja protokollat toimivat teollisuusautomaatiossa. Tällä kertaa keskitymme nykyaikaisiin toimiviin ratkaisuihin: katsomme, mitä protokollia käytetään järjestelmissä ympäri maailmaa. Tarkastellaanpa saksalaisten Beckhoffin ja Siemensin, itävaltalaisen B&R:n, amerikkalaisen Rockwell Automationin ja venäläisen Fastwelin teknologioita. Tutkimme myös universaaleja ratkaisuja, jotka eivät ole sidottu tiettyyn valmistajaan, kuten EtherCAT ja CAN.
Artikkelin lopussa on vertailutaulukko EtherCAT-, POWERLINK-, PROFINET-, EtherNet/IP- ja ModbusTCP-protokollien ominaisuuksista.
Emme sisällyttäneet PRP-, HSR-, OPC UA- ja muita protokollia katsaukseen, koska Teollisuuden automaatiojärjestelmiä kehittävät insinööritoverit ovat jo kirjoittaneet niistä erinomaisia artikkeleita Habressa. Esimerkiksi, и .
Ensin määritellään terminologia: Industrial Ethernet = teollisuusverkko, Fieldbus = kenttäväylä. Venäjän teollisuusautomaatiossa on hämmennystä kenttäväylään ja alemman tason teollisuusverkkoon liittyen. Usein nämä termit yhdistetään yhdeksi epämääräiseksi käsitteeksi nimeltä "alempi taso", jota kutsutaan sekä kenttäväyläksi että alitason väyläksi, vaikka se ei välttämättä olekaan väylä.
Miksi niin?Tämä hämmennys johtuu todennäköisimmin siitä, että monissa nykyaikaisissa ohjaimissa I/O-moduulien kytkentä on usein toteutettu käyttämällä taustalevyä tai fyysistä väylää. Eli tiettyjä väyläkoskettimia ja liittimiä käytetään yhdistämään useita moduuleja yhdeksi yksiköksi. Mutta tällaiset solmut vuorostaan voidaan yhdistää sekä teollisuusverkolla että kenttäväylällä. Länsimaisessa terminologiassa on selvä jako: verkko on verkko, väylä on väylä. Ensimmäinen on nimetty termillä Industrial Ethernet ja toinen kenttäväylällä. Artikkelissa ehdotetaan käytettäväksi termiä "teollisuusverkko" ja termiä "kenttäväylä" näille käsitteille.
Teollisuuden verkkostandardi EtherCAT, jonka on kehittänyt Beckhoff
EtherCAT-protokolla ja teollisuusverkko on ehkä yksi nopeimmista tiedonsiirtomenetelmistä automaatiojärjestelmissä nykyään. EtherCAT-verkkoa käytetään menestyksekkäästi hajautetuissa automaatiojärjestelmissä, joissa vuorovaikutuksessa olevat solmut ovat erillään pitkiä matkoja.
EtherCAT-protokolla käyttää tavallisia Ethernet-kehyksiä sähkeensä lähettämiseen, joten se pysyy yhteensopivana kaikkien tavallisten Ethernet-laitteiden kanssa, ja itse asiassa tiedon vastaanotto ja siirto voidaan järjestää millä tahansa Ethernet-ohjaimella, mikäli sopiva ohjelmisto on saatavilla.
Beckhoff-ohjain sarjalla I/O-moduuleja. Lähde:
Protokollaspesifikaatio on avoin ja saatavilla, mutta vain kehitysyhdistyksen EtherCAT Technology Groupin puitteissa.
Näin EtherCAT toimii (spektaakkeli on lumoava, kuten peli Zuma Inca):
Tämän protokollan suuri vaihtonopeus - ja voimme puhua mikrosekuntien yksiköistä - toteutuu siitä syystä, että kehittäjät kieltäytyivät vaihtamasta sähkeillä, jotka lähetettiin suoraan tiettyyn laitteeseen. Sen sijaan EtherCAT-verkkoon lähetetään yksi sähke, joka on osoitettu kaikille laitteille samanaikaisesti, ja jokainen tiedon keräämiseen ja lähettämiseen tarkoitettu orjasolmu (niitä kutsutaan usein myös OSO-objektiviestintälaitteiksi) ottaa siitä "lennossa". sille tarkoitetun tiedon ja lisää sähkeeseen tiedot, jotka hän on valmis toimittamaan vaihdettavaksi. Sähke lähetetään sitten seuraavaan orjasolmuun, jossa sama toimenpide tapahtuu. Kaikkien ohjauslaitteiden läpi käytyään sähke palautetaan pääohjaimelle, joka orjalaitteilta saatujen tietojen perusteella toteuttaa ohjauslogiikkaa ja on taas vuorovaikutuksessa sähkeen kautta orjasolmujen kanssa, jotka lähettävät ohjaussignaalin laitteet.
EtherCAT-verkolla voi olla mikä tahansa topologia, mutta pohjimmiltaan se on aina rengas - full duplex -tilan ja kahden Ethernet-liittimen käytön ansiosta. Tällä tavalla sähke välitetään aina peräkkäin jokaiselle väylän laitteelle.
Kaavioesitys Ethercat-verkosta, jossa on useita solmuja. Lähde:
Muuten, EtherCAT-spesifikaatio ei sisällä rajoituksia fyysiselle 100Base-TX-kerrokselle, joten protokollan toteutus on mahdollista gigabitin ja optisten linjojen perusteella.
Siemensin avoimet teollisuusverkot ja PROFIBUS/NET-standardit
Saksalainen Siemens-konserni on ollut pitkään tunnettu ohjelmoitavista logiikkaohjaimistaan (PLC), joita käytetään kaikkialla maailmassa.
Tiedonvaihto Siemensin laitteilla ohjatun automatisoidun järjestelmän solmujen välillä tapahtuu sekä PROFIBUS-nimisen kenttäväylän kautta että PROFINET-teollisuusverkossa.
PROFIBUS-väylässä käytetään erityistä kaksijohtimista kaapelia, jossa on DB-9-liittimet. Siemensillä se on purppuranvärisenä, mutta olemme nähneet muitakin käytännössä :). Jos haluat yhdistää useita solmuja, liitin voi yhdistää kaksi kaapelia. Siinä on myös kytkin terminaalivastukseen. Päätevastus on kytkettävä päälle verkon päätylaitteissa, mikä osoittaa, että tämä on ensimmäinen tai viimeinen laite, ja sen jälkeen ei ole mitään, vain pimeys ja tyhjyys (kaikki rs485:t toimivat näin). Jos kytket vastuksen päälle väliliittimestä, sitä seuraava osa kytkeytyy pois päältä.
PROFIBUS-kaapeli liitäntäliittimillä. Lähde:
PROFINET-verkossa käytetään analogista kierrettyä parikaapelia, yleensä RJ-45-liittimillä, kaapeli on väriltään vihreä. Jos PROFIBUSin topologia on väylä, niin PROFINET-verkon topologia voi olla mikä tahansa: rengas, tähti, puu tai kaikki yhdessä.
Siemens-ohjain kytketyllä PROFINET-kaapelilla. Lähde: w3.siemens.com
PROFIBUS-väylällä ja PROFINET-verkossa on useita tiedonsiirtoprotokollia.
PROFIBUS:lle:
- PROFIBUS DP - tämän protokollan toteutus sisältää yhteyden etä-orjalaitteiden kanssa; PROFINETin tapauksessa tämä protokolla vastaa PROFINET IO -protokollaa.
- PROFIBUS PA on olennaisesti sama kuin PROFIBUS DP, ja sitä käytetään vain tiedonsiirron ja virransyötön räjähdyssuojatuissa versioissa (analogisesti PROFIBUS DP:n kanssa, jolla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet). PROFINETille ei ole vielä olemassa PROFIBUSin kaltaista räjähdyssuojattua protokollaa.
- PROFIBUS FMS - suunniteltu tiedonvaihtoon muiden valmistajien järjestelmien kanssa, jotka eivät voi käyttää PROFIBUS DP:tä. PROFINET-verkon PROFIBUS FMS -analogi on PROFINET CBA -protokolla.
PROFINETille:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO -protokolla on jaettu useisiin luokkiin:
- PROFINET NRT (ei-reaaliaikainen) - käytetään sovelluksissa, joissa ajoitusparametrit eivät ole kriittisiä. Se käyttää Ethernet TCP/IP-tiedonsiirtoprotokollaa sekä UDP/IP:tä.
- PROFINET RT (reaaliaikainen) - tässä I/O-tiedonvaihto toteutetaan Ethernet-kehyksillä, mutta diagnostiikka- ja tiedonsiirtotiedot siirretään edelleen UDP/IP:n kautta.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Tämä protokolla on kehitetty erityisesti liikkeenohjaussovelluksia varten ja sisältää isokronisen tiedonsiirtovaiheen.
Mitä tulee PROFINET IRT:n kovan reaaliaikaisen protokollan toteuttamiseen, se erottaa etälaitteiden kanssa tapahtuvaa viestintää varten kaksi vaihtokanavaa: isokroninen ja asynkroninen. Isokroninen kanava, jolla on kiinteä vaihtojakson pituus, käyttää kellon synkronointia ja lähettää aikakriittistä dataa; siirtoon käytetään toisen tason sähkeitä. Lähetyksen kesto isokronisessa kanavassa ei ylitä 1 millisekuntia.
Asynkroninen kanava välittää niin sanottua reaaliaikaista dataa, joka myös osoitetaan MAC-osoitteen kautta. Lisäksi TCP/IP:n kautta siirretään erilaisia diagnostiikka- ja aputietoja. Reaaliaikainen data, saati sitten muu tieto, ei tietenkään voi katkaista isokronista sykliä.
Laajennettua PROFINET IO -toimintosarjaa ei tarvita jokaiseen teollisuusautomaatiojärjestelmään, joten tämä protokolla skaalataan tiettyä projektia varten ottaen huomioon vaatimustenmukaisuusluokat tai vaatimustenmukaisuusluokat: CC-A, CC-B, CC-CC. Yhteensopivuusluokkien avulla voit valita kenttälaitteita ja runkoverkon komponentteja, joilla on vähimmäistoimivuus.
Lähde:
PROFINET-verkon toista vaihtoprotokollaa - PROFINET CBA:ta - käytetään eri valmistajien laitteiden välisen teollisen viestinnän järjestämiseen. IAS-järjestelmien päätuotantoyksikkö on tietty kokonaisuus, jota kutsutaan komponentiksi. Tämä komponentti on yleensä kokoelma laitteen tai asennuksen mekaanisia, sähköisiä ja elektronisia osia sekä niihin liittyviä sovellusohjelmistoja. Jokaiselle komponentille valitaan ohjelmistomoduuli, joka sisältää täydellisen kuvauksen tämän komponentin liitännästä PROFINET-standardin vaatimusten mukaisesti. Tämän jälkeen näitä ohjelmistomoduuleja käytetään tietojen vaihtamiseen laitteiden kanssa.
B&R Ethernet POWERLINK-protokolla
Powerlink-protokollan kehitti itävaltalainen B&R 2000-luvun alussa. Tämä on toinen reaaliaikaisen protokollan toteutus Ethernet-standardin lisäksi. Protokollaspesifikaatio on saatavilla ja jaettu vapaasti.
Powerlink-teknologiassa käytetään ns. sekakyselymekanismia, jolloin kaikki laitteiden välinen vuorovaikutus on jaettu useisiin vaiheisiin. Erityisen kriittistä dataa välitetään isokronisessa vaihtovaiheessa, jolle on konfiguroitu vaadittu vasteaika, loput tiedot siirretään mahdollisuuksien mukaan asynkronisessa vaiheessa.
B&R-ohjain sarjalla I/O-moduuleja. Lähde: br-automation.com
Protokolla toteutettiin alun perin fyysisen 100Base-TX-kerroksen päällä, mutta myöhemmin kehitettiin gigabitin toteutus.
Powerlink-protokolla käyttää viestinnän ajoitusmekanismia. Verkkoon lähetetään tietty merkki- tai ohjaussanoma, jonka avulla selvitetään, millä laitteilla on kulloinkin lupa tiedonvaihtoon. Vain yhdellä laitteella voi olla pääsy keskukseen kerrallaan.
Kaavioesitys Ethernet POWERLINK -verkosta, jossa on useita solmuja.
Isokronisessa vaiheessa kyselyohjain lähettää peräkkäin pyynnön jokaiselle solmulle, jolta sen on vastaanotettava kriittistä dataa.
Isokroninen vaihe suoritetaan, kuten jo mainittiin, säädettävällä sykliajalla. Vaihdon asynkronisessa vaiheessa käytetään IP-protokollapinoa, ohjain pyytää ei-kriittistä dataa kaikilta solmuilta, jotka lähettävät vastauksen, kun he pääsevät lähettämään verkkoon. Isokronisen ja asynkronisen vaiheen välinen aikasuhde voidaan säätää manuaalisesti.
Rockwell Automation Ethernet/IP-protokolla
EtherNet/IP-protokolla kehitettiin vuonna 2000 amerikkalaisen Rockwell Automationin aktiivisen osallistumisen myötä. Se käyttää TCP- ja UDP-IP-pinoa ja laajentaa sen teollisuusautomaatiosovelluksia varten. Nimen toinen osa, toisin kuin yleinen käsitys, ei tarkoita Internet Protocolia, vaan Industrial Protocolia. UDP IP käyttää CIP (Common Interface Protocol) -tietoliikennepinoa, jota käytetään myös ControlNet/DeviceNet-verkoissa ja joka on toteutettu TCP/IP:n päälle.
EtherNet/IP-spesifikaatio on julkisesti saatavilla ja vapaasti saatavilla. Ethernet/IP-verkkotopologia voi olla mielivaltainen ja sisältää rengas, tähti, puu tai väylä.
HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet/IP-protokollien vakiotoimintojen lisäksi se toteuttaa aikakriittisten tietojen siirron pollausohjaimen ja I/O-laitteiden välillä. Ei-aikakriittisten tietojen siirto tapahtuu TCP-pakettien avulla, ja syklisen ohjausdatan aikakriittisen toimitus tapahtuu UDP-protokollan kautta.
Ajan synkronointiin hajautetuissa järjestelmissä EtherNet/IP käyttää CIPsync-protokollaa, joka on CIP-viestintäprotokollan laajennus.
Kaavioesitys Ethernet/IP-verkosta, jossa on useita solmuja ja Modbus-laitteiden liitäntä. Lähde:
EtherNet/IP-verkon asennuksen yksinkertaistamiseksi useimmissa tavallisissa automaatiolaitteissa on ennalta määritetyt määritystiedostot.
FBUS-protokollan käyttöönotto Fastwelissa
Mietimme pitkään, sisällytetäänkö venäläinen yritys Fastwel tähän luetteloon sen kotimaisen FBUS-teollisuusprotokollan toteutuksen kanssa, mutta sitten päätimme kirjoittaa pari kappaletta ymmärtääksemme paremmin tuonnin korvaamisen realiteetteja.
FBUS:lla on kaksi fyysistä toteutusta. Yksi niistä on väylä, jossa FBUS-protokolla toimii RS485-standardin päällä. Lisäksi teollisessa Ethernet-verkossa on FBUS-toteutus.
FBUS:a tuskin voi kutsua nopeaksi protokollaksi, vasteaika riippuu voimakkaasti väylän I/O-moduulien lukumäärästä ja vaihtoparametreista, se vaihtelee yleensä 0,5-10 millisekunnin välillä. Yksi FBUS-orjasolmu voi sisältää vain 64 I/O-moduulia. Kenttäväylällä kaapelin pituus ei saa ylittää 1 metriä, joten emme puhu hajautetuista järjestelmistä. Tai pikemminkin, mutta vain käytettäessä teollista FBUS-verkkoa TCP/IP:n kautta, mikä tarkoittaa kyselyajan pidentymistä useita kertoja. Väylän jatkojohtoja voidaan käyttää moduulien liittämiseen, mikä mahdollistaa moduulien kätevän sijoittamisen automaatiokaappiin.
Fastwel-ohjain liitetyillä I/O-moduuleilla. Lähde:
Yhteensä: kuinka tätä kaikkea hyödynnetään käytännössä automatisoiduissa prosessinohjausjärjestelmissä
Luonnollisesti nykyaikaisten teollisten tiedonsiirtoprotokollien valikoima on paljon suurempi kuin tässä artikkelissa kuvattiin. Jotkut on sidottu tiettyyn valmistajaan, jotkut päinvastoin ovat universaaleja. Kun kehitetään automatisoituja prosessinohjausjärjestelmiä (APCS), insinööri valitsee optimaaliset protokollat ottaen huomioon erityistehtävät ja rajoitukset (tekniset ja budjetti).
Jos puhumme tietyn vaihtoprotokollan yleisyydestä, voimme tarjota kaavion yrityksestä HMS Networks AB, joka kuvaa erilaisten vaihtoteknologioiden markkinaosuuksia teollisissa verkoissa.
Lähde:
Kuten kaaviosta näkyy, Siemensin PRONET ja PROFIBUS ovat johtavassa asemassa.
Mielenkiintoista, 6 vuotta sitten .
Alla oleva taulukko sisältää yhteenvetotiedot kuvatuista vaihtoprotokollista. Jotkut parametrit, esimerkiksi suorituskyky, ilmaistaan abstraktein termein: korkea / matala. Numeeriset vastineet löytyvät suorituskykyanalyysiartikkeleista.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Fyysinen kerros
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Datataso
|
Kanava (Ethernet-kehykset)
|
Kanava (Ethernet-kehykset)
|
Kanava (Ethernet-kehykset), verkko/siirto (TCP/IP)
|
Verkko/liikenne (TCP/IP)
|
Verkko/liikenne (TCP/IP)
|
|
Reaaliaikainen tuki
|
Kyllä
|
Kyllä
|
Kyllä
|
Kyllä
|
Ei
|
|
Suorituskyky
|
Korkea
|
Korkea
|
IRT – korkea, RT – keskitaso
|
Keskimäärin
|
alhainen
|
|
Kaapelin pituus solmujen välillä
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Siirtovaiheet
|
Ei
|
Isokroni + asynkroninen
|
IRT – isokroninen + asynkroninen, RT – asynkroninen
|
Ei
|
Ei
|
|
Solmujen lukumäärä
|
65535
|
240
|
TCP/IP-verkon rajoitus
|
TCP/IP-verkon rajoitus
|
TCP/IP-verkon rajoitus
|
|
Törmäyksen resoluutio
|
Renkaan topologia
|
Kellon synkronointi, lähetysvaiheet
|
Rengastopologia, lähetysvaiheet
|
Kytkimet, tähtitopologia
|
Kytkimet, tähtitopologia
|
|
Hot swap
|
Ei
|
Kyllä
|
Kyllä
|
Kyllä
|
Toteutuksesta riippuen
|
|
Laitteiden kustannukset
|
alhainen
|
alhainen
|
Korkea
|
Keskimäärin
|
alhainen
|
Kuvattujen vaihtoprotokollien, kenttäväylän ja teollisuusverkkojen käyttöalueet ovat hyvin erilaisia. Kemian- ja autoteollisuudesta ilmailuteknologiaan ja elektroniikan valmistukseen. Nopeat vaihtoprotokollat ovat kysyttyjä eri laitteiden reaaliaikaisissa paikannusjärjestelmissä ja robotiikassa.
Mitä protokollia työskentelitte ja missä käytit niitä? Jaa kokemuksesi kommenteissa. 🙂
Lähde: will.com