wy prate oer hoe't bussen en protokollen wurkje yn yndustriële automatisearring. Dizze kear sille wy rjochtsje op moderne wurkoplossingen: wy sille sjen nei hokker protokollen wurde brûkt yn systemen om 'e wrâld. Lit ús beskôgje de technologyen fan de Dútske bedriuwen Beckhoff en Siemens, de Eastenrykske B&R, de Amerikaanske Rockwell Automation en de Russyske Fastwel. Wy sille ek studearje universele oplossingen dy't net bûn oan in spesifike fabrikant, lykas EtherCAT en CAN.
Oan 'e ein fan it artikel sil d'r in fergelikingstabel wêze mei de skaaimerken fan' e EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet / IP en ModbusTCP protokollen.
Wy hawwe gjin PRP, HSR, OPC UA en oare protokollen opnommen yn 'e resinsje, om't D'r binne al poerbêste artikels oer har op Habré troch ús kollega-yngenieurs dy't yndustriële automatisearringssystemen ûntwikkelje. Bygelyks, и .
Lit ús earst de terminology definiearje: Industrial Ethernet = yndustrieel netwurk, Fieldbus = fjildbus. Yn Russyske yndustriële automatisearring is d'r betizing yn termen yn ferbân mei de fjildbus en it yndustriële netwurk op legere nivo. Faak wurde dizze termen kombinearre yn ien inkeld, ûndúdlik konsept dat "leger nivo" neamd wurdt, dat sawol in fjildbus as in sublevelbus oantsjut wurdt, hoewol it miskien hielendal gjin bus is.
Wêrom is it sa?Dizze betizing komt nei alle gedachten troch it feit dat yn in protte moderne controllers, de ferbining fan I / O modules wurdt faak útfierd mei help fan in backplane of in fysike bus. Dat is, bepaalde buskontakten en Anschlüsse wurde brûkt om ferskate modules te kombinearjen yn ien ienheid. Mar sokke knooppunten, op har beurt, kinne wurde mei-inoar ferbûn troch sawol in yndustrieel netwurk en in fjildbus. Yn de westerske terminology is der in dúdlike ferdieling: in netwurk is in netwurk, in bus is in bus. De earste wurdt oanwiisd troch de term Industrial Ethernet, de twadde troch Fieldbus. It artikel stelt foar om respektivelik de term "yndustrieel netwurk" en de term "fjildbus" te brûken foar dizze begripen.
Yndustriële netwurkstandert EtherCAT, ûntwikkele troch Beckhoff
It EtherCAT-protokol en it yndustriële netwurk is faaks ien fan 'e rapste metoaden foar gegevensoerdracht yn automatisearringssystemen hjoed. It EtherCAT-netwurk wurdt mei súkses brûkt yn ferdielde automatisearringssystemen, wêrby't ynteraktive knopen oer lange ôfstannen skieden wurde.
It EtherCAT-protokol brûkt standert Ethernet-frames om har telegrammen te ferstjoeren, sadat it kompatibel bliuwt mei elke standert Ethernet-apparatuer en, yn feite, gegevensûntfangst en -transmission kinne wurde organisearre op elke Ethernet-controller, mits de passende software beskikber is.
Beckhoff controller mei in set fan I / O modules. Boarne:
De protokolspesifikaasje is iepen en beskikber, mar allinich yn it ramt fan 'e ûntwikkelingsferiening - EtherCAT Technology Group.
Hjir is hoe't EtherCAT wurket (it spektakel is betoverend, lykas it spultsje Zuma Inca):
De hege wikselsnelheid yn dit protokol - en wy kinne prate oer ienheden fan mikrosekonden - wurdt realisearre troch it feit dat de ûntwikkelders wegere te wikseljen mei help fan telegrammen dy't direkt nei in spesifyk apparaat stjoerd binne. Ynstee dêrfan wurdt ien telegram stjoerd nei it EtherCAT-netwurk, rjochte oan alle apparaten tagelyk, elk fan 'e slaveknooppunten foar it sammeljen en ferstjoeren fan ynformaasje (se wurde ek faak neamd OSO - objektkommunikaasjeapparaat) nimt fan it "on the fly" de gegevens dy't dêrfoar bedoeld wiene en foeget yn in telegram de gegevens yn dy't er ree is om te leverjen foar útwikseling. It telegram wurdt dan stjoerd nei de folgjende slave knooppunt, dêr't deselde operaasje bart. Nei't troch alle kontrôleapparaten trochgien is, wurdt it telegram weromjûn nei de haadkontrôler, dy't, basearre op de gegevens ûntfongen fan 'e slave-apparaten, de kontrôlelogika ymplementearret, opnij ynteraksje fia it telegram mei de slaveknooppunten, dy't in kontrôlesinjaal útjaan oan de útrêsting.
In EtherCAT-netwurk kin elke topology hawwe, mar yn essinsje sil it altyd in ring wêze - troch it brûken fan folsleine dupleksmodus en twa Ethernet-ferbiningen. Op dizze manier sil it telegram altyd sequentieel wurde ferstjoerd nei elk apparaat op 'e bus.
Skematyske werjefte fan in Ethercat-netwurk mei meardere knopen. Boarne:
Trouwens, de EtherCAT-spesifikaasje befettet gjin beheiningen op 'e fysike laach 100Base-TX, sadat ymplemintaasje fan it protokol mooglik is basearre op gigabit en optyske rigels.
Iepen yndustriële netwurken en PROFIBUS / NET noarmen fan Siemens
It Dútske bedriuw Siemens is al lang bekend om har programmabele logyske controllers (PLC's), dy't oer de hiele wrâld wurde brûkt.
Gegevensútwikseling tusken knopen fan in automatisearre systeem regele troch Siemens-apparatuer wurdt útfierd sawol fia in fjildbus neamd PROFIBUS en yn it PROFINET yndustriële netwurk.
De PROFIBUS bus brûkt in spesjale twa-core kabel mei DB-9 connectors. Siemens hat it yn pears, mar wy hawwe sjoen oaren yn de praktyk :). Om meardere knopen te ferbinen, kin in ferbiner twa kabels ferbine. It hat ek in switch foar de terminal wjerstân. De terminal wjerstân moat wurde ynskeakele op 'e ein apparaten fan it netwurk, dus oanjout dat dit is de earste of lêste apparaat, en nei it is der neat, allinnich tsjuster en leechte (alle rs485s wurkje sa). As jo in wjerstân oansette op 'e tuskenferbining, sil de seksje dy't folget it útskeakele wurde.
PROFIBUS kabel mei ferbinende Anschlüsse. Boarne:
It PROFINET netwurk brûkt in analoge twisted pair kabel, meastal mei RJ-45 Anschlüsse, de kabel is kleurd grien. As de topology fan PROFIBUS in bus is, dan kin de topology fan it PROFINET-netwurk alles wêze: in ring, in stjer, in beam, of alles kombinearre.
Siemens controller mei oansletten PROFINET kabel. Boarne: w3.siemens.com
Der binne ferskate kommunikaasje protokollen op de PROFIBUS bus en yn it PROFINET netwurk.
Foar PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - de ymplemintaasje fan dit protokol omfettet kommunikaasje mei slave-apparaten op ôfstân; yn it gefal fan PROFINET komt dit protokol oerien mei it PROFINET IO-protokol.
- PROFIBUS PA is yn wêzen itselde as PROFIBUS DP, allinnich brûkt foar eksploazje-proof ferzjes fan gegevens oerdracht en Netzteil (analooch oan PROFIBUS DP mei ferskillende fysike eigenskippen). Foar PROFINET bestiet in eksploazjebestindich protokol fergelykber mei PROFIBUS noch net.
- PROFIBUS FMS - ûntworpen foar gegevensútwikseling mei systemen fan oare fabrikanten dy't PROFIBUS DP net brûke kinne. De PROFIBUS FMS-analog yn it PROFINET-netwurk is it PROFINET CBA-protokol.
Foar PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
It PROFINET IO-protokol is ferdield yn ferskate klassen:
- PROFINET NRT (non-real time) - brûkt yn applikaasjes dêr't timing parameters binne net kritysk. It brûkt it Ethernet TCP/IP-gegevensferfierprotokol lykas UDP/IP.
- PROFINET RT (echte tiid) - hjir I / O gegevens útwikseling wurdt útfierd mei help fan Ethernet frames, mar diagnostyske en kommunikaasje gegevens wurdt noch oerdroegen fia UDP / IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Dit protokol is spesifyk ûntwikkele foar applikaasjes foar bewegingskontrôle en omfettet in isochrone gegevensferfierfaze.
Wat de ymplemintaasje fan it PROFINET IRT hurde real-time protokol oanbelanget, foar kommunikaasje mei apparaten op ôfstân ûnderskiedt it twa útwikselingskanalen: isochronous en asynchronous. In isochroon kanaal mei in fêste lingte fan 'e útwikselingssyklus brûkt kloksyngronisaasje en stjoert tiidkrityske gegevens oer; Telegrammen op twadde nivo wurde brûkt foar oerdracht. De oerdrachtdoer yn in isochronous kanaal is net mear as 1 millisekonde.
It asynchrone kanaal stjoert saneamde real-time gegevens, dy't ek oanpakt wurde fia in MAC-adres. Derneist wurdt ferskate diagnostyske en helpynformaasje oer TCP / IP oerbrocht. Gjin real-time gegevens, folle minder oare ynformaasje, fansels, kinne de isochrone syklus ûnderbrekke.
De útwreide set fan PROFINET IO-funksjes is net nedich foar alle yndustriële automatisearringssysteem, dus dit protokol wurdt skalearre foar in spesifyk projekt, rekken hâldend mei konformiteitsklassen of konformiteitsklassen: CC-A, CC-B, CC-CC. Compliance klassen kinne jo selektearje fjild apparaten en rêchbonke komponinten mei de minimale fereaske funksjonaliteit.
Boarne:
It twadde útwikselprotokol yn it PROFINET-netwurk - PROFINET CBA - wurdt brûkt om yndustriële kommunikaasje te organisearjen tusken apparatuer fan ferskate fabrikanten. De wichtichste produksje-ienheid yn IAS-systemen is in bepaalde entiteit neamd in komponint. Dizze komponint is meastal in samling meganyske, elektryske en elektroanyske dielen fan in apparaat of ynstallaasje, lykas byhearrende applikaasje software. Foar elke komponint wurdt in softwaremodule selektearre dy't in folsleine beskriuwing fan 'e ynterface fan dizze komponint befettet yn oerienstimming mei de easken fan' e PROFINET-standert. Dêrnei wurde dizze softwaremodules brûkt om gegevens te wikseljen mei apparaten.
B&R Ethernet POWERLINK protokol
It Powerlink-protokol waard ûntwikkele troch it Eastenrykske bedriuw B&R yn 'e iere 2000's. Dit is in oare ymplemintaasje fan in real-time protokol boppe op 'e Ethernet-standert. De protokol spesifikaasje is beskikber en frij ferspraat.
Powerlink technology brûkt in saneamde mingd polling meganisme, doe't alle ynteraksje tusken apparaten wurdt ferdield yn ferskate fazen. Benammen krityske gegevens wurde oerdroegen yn 'e isochronous útwikseling faze, dêr't de fereaske antwurd tiid is konfigurearre; de oerbleaune gegevens wurde oerdroegen, wannear mooglik, yn de asynchronous faze.
B & R controller mei in set fan I / O modules. Boarne: br-automation.com
It protokol waard oarspronklik ymplementearre boppe op 'e 100Base-TX fysike laach, mar letter waard in gigabit ymplemintaasje ûntwikkele.
It Powerlink-protokol brûkt in meganisme foar kommunikaasjeplanning. In bepaalde marker of kontrôleberjocht wurdt nei it netwurk stjoerd, wêrmei't bepaald wurdt hokker fan 'e apparaten op it stuit tastimming hat om gegevens te wikseljen. Allinich ien apparaat kin tagelyk tagong hawwe ta de útwikseling.
Skematyske werjefte fan in Ethernet POWERLINK netwurk mei meardere knopen.
Yn 'e isochrone faze stjoert de pollingkontrôler opfolgjend in fersyk nei elke knooppunt wêrfan it krityske gegevens moat ûntfange.
De isochronous faze wurdt útfierd, lykas al neamd, mei in ferstelbere syklus tiid. Yn 'e asynchrone faze fan' e útwikseling wurdt de IP-protokol-stapel brûkt, de kontrôler freget net-krityske gegevens fan alle knooppunten, dy't in antwurd stjoere as se tagong krije om te stjoeren nei it netwurk. De tiidferhâlding tusken de isochrone en asynchrone fazen kin mei de hân oanpast wurde.
Rockwell Automation Ethernet / IP Protokol
It EtherNet/IP-protokol waard ûntwikkele mei de aktive dielname fan it Amerikaanske bedriuw Rockwell Automation yn 2000. It brûkt de TCP- en UDP IP-stapel, en wreidet it út foar applikaasjes foar yndustriële automatisearring. It twadde diel fan 'e namme, yn tsjinstelling ta populêr leauwe, betsjut net Ynternetprotokol, mar Industrial Protocol. UDP IP brûkt de kommunikaasjestapel CIP (Common Interface Protocol), dy't ek brûkt wurdt yn ControlNet / DeviceNet netwurken en wurdt ymplementearre boppe op TCP / IP.
De EtherNet/IP-spesifikaasje is iepenbier beskikber en frij beskikber. De Ethernet / IP netwurk topology kin wêze willekeurich en befetsje ring, stjer, beam of bus.
Neist de standertfunksjes fan 'e HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet / IP-protokollen ymplementearret it de oerdracht fan tiidkrityske gegevens tusken de polling-controller en I/O-apparaten. De oerdracht fan net-tiid-krityske gegevens wurdt levere troch TCP-pakketten, en de tiid-krityske levering fan siklyske kontrôlegegevens wurdt útfierd fia it UDP-protokol.
Om tiid te syngronisearjen yn ferdielde systemen, brûkt EtherNet / IP it CIPsync-protokol, dat in útwreiding is fan it CIP-kommunikaasjeprotokol.
Skematyske foarstelling fan in Ethernet / IP netwurk mei ferskate knopen en ferbining fan Modbus apparaten. Boarne:
Om EtherNet / IP netwurk opset te ferienfâldigjen, komme de measte standert automatisearringsapparaten mei foarôf definieare konfiguraasjebestannen.
Utfiering fan it FBUS-protokol by Fastwel
Wy tochten in lange tiid as wy it Russyske bedriuw Fastwel yn dizze list opnimme moatte mei har ynlânske ymplemintaasje fan it FBUS-yndustriële protokol, mar doe besleaten wy in pear paragrafen te skriuwen foar in better begryp fan 'e realiteiten fan ymportferfanging.
D'r binne twa fysike ymplemintaasjes fan FBUS. Ien fan har is in bus wêryn it FBUS-protokol boppe op 'e RS485-standert rint. Dêrneist is der in ymplemintaasje fan FBUS yn in yndustriële Ethernet netwurk.
FBUS kin amper wurde neamd in hege-snelheid protokol; de antwurd tiid sterk hinget ôf fan it oantal I / O modules op 'e bus en op' e útwikseling parameters; it meastal fariearret fan 0,5 oant 10 millisekonden. Ien FBUS-slaveknooppunt kin allinich 64 I / O-modules befetsje. Foar in fjildbus kin de kabellingte net mear as 1 meter wêze, dus wy hawwe it net oer ferdielde systemen. Of leaver, it docht it, mar allinich by it brûken fan in yndustrieel FBUS-netwurk oer TCP / IP, dat betsjut in ferheging fan polling tiid ferskate kearen. Bus-útwreidingsnoeren kinne brûkt wurde om modules te ferbinen, wêrtroch in handige pleatsing fan modules yn 'e automatisearringskabinet mooglik is.
Fastwel controller mei ferbûn I / O modules. Boarne:
Totaal: hoe't dit alles yn 'e praktyk brûkt wurdt yn automatisearre proseskontrôlesystemen
Natuerlik is it ferskaat oan soarten moderne yndustriële gegevensferfierprotokollen folle grutter dan wy beskreaun yn dit artikel. Guon binne bûn oan in spesifike fabrikant, guon, krekt oarsom, binne universele. By it ûntwikkeljen fan automatisearre proseskontrôlesystemen (APCS) selekteart de yngenieur de optimale protokollen, rekken hâldend mei spesifike taken en beheiningen (technysk en budzjet).
As wy prate oer de prevalens fan in bepaald útwikselprotokol, kinne wy in diagram fan it bedriuw leverje HMS Networks AB, dy't de merkoandielen fan ferskate útwikseltechnologyen yn yndustriële netwurken yllustrearret.
Boarne:
As yn it diagram te sjen is, besette PRONET en PROFIBUS fan Siemens de liedende posysjes.
Nijsgjirrich, 6 jier lyn .
De tabel hjirûnder befettet gearfettingsgegevens oer de beskreaune útwikselingsprotokollen. Guon parameters, bygelyks prestaasjes, wurde útdrukt yn abstrakte termen: heech / leech. Numerike ekwivalinten kinne fûn wurde yn artikels foar prestaasjesanalyse.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fysike laach
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Gegevensnivo
|
Kanaal (Ethernet frames)
|
Kanaal (Ethernet frames)
|
Kanaal (Ethernet frames), Netwurk/ferfier (TCP/IP)
|
Netwurk/ferfier (TCP/IP)
|
Netwurk/ferfier (TCP/IP)
|
|
Echte tiid stipe
|
dat
|
dat
|
dat
|
dat
|
gjin
|
|
Produktiviteit
|
Высокая
|
Высокая
|
IRT - heech, RT - medium
|
Average
|
Leech
|
|
Kabel lingte tusken knopen
|
100
|
100m/2km
|
100
|
100
|
100
|
|
Oerdracht fazen
|
gjin
|
Isochronous + asynchronous
|
IRT - isochronous + asynchronous, RT - asynchronous
|
gjin
|
gjin
|
|
Oantal knopen
|
65535
|
240
|
TCP / IP Netwurk beheining
|
TCP / IP Netwurk beheining
|
TCP / IP Netwurk beheining
|
|
Botsing resolúsje
|
Ringtopology
|
Kloksyngronisaasje, oerdrachtfazen
|
Ring topology, oerdracht fazen
|
Switches, stjer topology
|
Switches, stjer topology
|
|
Hot ruil
|
gjin
|
dat
|
dat
|
dat
|
Ofhinklik fan de útfiering
|
|
Kosten fan apparatuer
|
Leech
|
Leech
|
Высокая
|
Average
|
Leech
|
De tapassingsgebieten fan 'e beskreaune útwikselingsprotokollen, fjildbussen en yndustriële netwurken binne heul ferskaat. Fan 'e gemyske en auto-yndustry oant loftfearttechnology en elektroanikaproduksje. Utwikselingsprotokollen mei hege snelheid binne yn 'e fraach yn real-time posysjesystemen foar ferskate apparaten en yn robotika.
Mei hokker protokollen hawwe jo wurke en wêr hawwe jo se tapast? Diel jo ûnderfining yn 'e kommentaren. 🙂
Boarne: www.habr.com