falamos de como funcionan os buses e os protocolos na automatización industrial. Nesta ocasión centrarémonos en solucións de traballo modernas: analizaremos que protocolos se utilizan nos sistemas de todo o mundo. Consideremos as tecnoloxías das empresas alemás Beckhoff e Siemens, a austríaca B&R, a estadounidense Rockwell Automation e a rusa Fastwel. Tamén estudaremos solucións universais que non estean vinculadas a un fabricante específico, como EtherCAT e CAN.
Ao final do artigo haberá unha táboa comparativa coas características dos protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP e ModbusTCP.
Non incluímos PRP, HSR, OPC UA e outros protocolos na revisión, porque Xa hai excelentes artigos sobre eles sobre Habré dos nosos compañeiros enxeñeiros que están a desenvolver sistemas de automatización industrial. Por exemplo, и .
En primeiro lugar, imos definir a terminoloxía: Ethernet industrial = rede industrial, bus de campo = bus de campo. Na automatización industrial rusa, hai confusión en termos relacionados co bus de campo e a rede industrial de nivel inferior. Moitas veces, estes termos combínanse nun concepto único e vago chamado "nivel inferior", que se denomina tanto bus de campo como bus de subnivel, aínda que pode non ser un bus en absoluto.
Por que isto?Esta confusión débese moi probablemente ao feito de que en moitos controladores modernos, a conexión dos módulos de E/S adoita implementarse mediante un backplane ou un bus físico. É dicir, úsanse certos contactos e conectores de bus para combinar varios módulos nunha única unidade. Pero tales nodos, á súa vez, poden interconectarse tanto por unha rede industrial como por un bus de campo. Na terminoloxía occidental hai unha división clara: unha rede é unha rede, un autobús é un autobús. O primeiro é designado polo termo Industrial Ethernet, o segundo por Fieldbus. O artigo propón utilizar o termo “rede industrial” e o termo “bus de campo” para estes conceptos, respectivamente.
Estándar de rede industrial EtherCAT, desenvolvido por Beckhoff
O protocolo EtherCAT e a rede industrial é quizais un dos métodos máis rápidos de transmisión de datos nos sistemas de automatización actual. A rede EtherCAT utilízase con éxito en sistemas de automatización distribuídas, onde os nodos que interactúan están separados a longas distancias.
O protocolo EtherCAT utiliza tramas Ethernet estándar para transmitir os seus telegramas, polo que segue sendo compatible con calquera equipo Ethernet estándar e, de feito, a recepción e transmisión de datos pódense organizar en calquera controlador Ethernet, sempre que se dispón do software adecuado.
Controlador Beckhoff cun conxunto de módulos de E/S. Fonte:
A especificación do protocolo está aberta e dispoñible, pero só no marco da asociación de desenvolvemento - EtherCAT Technology Group.
Así é como funciona EtherCAT (o espectáculo é fascinante, como o xogo Zuma Inca):
A alta velocidade de intercambio deste protocolo -e podemos falar de unidades de microsegundos- realízase debido ao feito de que os desenvolvedores negáronse a intercambiar mediante telegramas enviados directamente a un dispositivo específico. En vez diso, envíase un telegrama á rede EtherCAT, dirixido a todos os dispositivos ao mesmo tempo, cada un dos nodos escravos para recoller e transmitir información (tamén se adoitan chamar OSO - dispositivo de comunicación de obxectos) toma del "on the fly". os datos que lle foron destinados e insire nun telegrama os datos que está disposto a facilitar para o intercambio. O telegrama envíase entón ao seguinte nodo escravo, onde se produce a mesma operación. Tras pasar por todos os dispositivos de control, o telegrama devólvese ao controlador principal que, en función dos datos recibidos dos dispositivos escravos, implementa a lóxica de control, interactuando de novo a través do telegrama cos nodos escravos, que emiten un sinal de control para o equipo.
Unha rede EtherCAT pode ter calquera topoloxía, pero en esencia sempre será un anel, debido ao uso do modo dúplex completo e dous conectores Ethernet. Deste xeito, o telegrama transmitirase sempre de forma secuencial a cada dispositivo do bus.
Representación esquemática dunha rede Ethercat con múltiples nodos. Fonte:
Por certo, a especificación EtherCAT non contén restricións na capa física 100Base-TX, polo que a implementación do protocolo é posible baseándose en liñas ópticas e gigabit.
Redes industriais abertas e estándares PROFIBUS/NET de Siemens
A empresa alemá Siemens é coñecida durante moito tempo polos seus controladores lóxicos programables (PLC), que se utilizan en todo o mundo.
O intercambio de datos entre nodos dun sistema automatizado controlado por equipos Siemens realízase tanto a través dun bus de campo denominado PROFIBUS como na rede industrial PROFINET.
O bus PROFIBUS utiliza un cable especial de dous núcleos con conectores DB-9. Siemens teno en violeta, pero xa vimos outros na práctica :). Para conectar varios nodos, un conector pode conectar dous cables. Tamén ten un interruptor para a resistencia terminal. A resistencia terminal debe estar acendida nos dispositivos finais da rede, indicando así que este é o primeiro ou o último dispositivo, e despois non hai nada, só escuridade e baleiro (todos os rs485 funcionan así). Se activas unha resistencia no conector intermedio, a sección seguinte a esta desactivarase.
Cable PROFIBUS con conectores de conexión. Fonte:
A rede PROFINET usa un cable de par trenzado analóxico, normalmente con conectores RJ-45, o cable é de cor verde. Se a topoloxía de PROFIBUS é un bus, entón a topoloxía da rede PROFINET pode ser calquera cousa: un anel, unha estrela, unha árbore ou todo combinado.
Controlador Siemens con cable PROFINET conectado. Fonte: w3.siemens.com
Existen varios protocolos de comunicación no bus PROFIBUS e na rede PROFINET.
Para PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - a implementación deste protocolo implica a comunicación con dispositivos escravos remotos; no caso de PROFINET, este protocolo corresponde ao protocolo PROFINET IO.
- PROFIBUS PA é esencialmente o mesmo que PROFIBUS DP, só se usa para versións a proba de explosión de transmisión de datos e fonte de alimentación (análoga a PROFIBUS DP con diferentes propiedades físicas). Para PROFINET, aínda non existe un protocolo antideflagrante similar ao PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS: deseñado para o intercambio de datos con sistemas doutros fabricantes que non poden usar PROFIBUS DP. O analóxico PROFIBUS FMS na rede PROFINET é o protocolo PROFINET CBA.
Para PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
O protocolo PROFINET IO divídese en varias clases:
- PROFINET NRT (tempo non real): úsase en aplicacións onde os parámetros de temporización non son críticos. Utiliza o protocolo de transferencia de datos Ethernet TCP/IP así como UDP/IP.
- PROFINET RT (tempo real): aquí o intercambio de datos de E/S se implementa mediante tramas Ethernet, pero os datos de diagnóstico e comunicación aínda se transfieren a través de UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Este protocolo foi desenvolvido especificamente para aplicacións de control de movemento e inclúe unha fase de transferencia de datos isócrona.
En canto á implementación do protocolo de tempo real duro PROFINET IRT, para as comunicacións con dispositivos remotos distingue dúas canles de intercambio: isócrona e asincrónica. Unha canle isócrona cunha lonxitude de ciclo de intercambio fixa usa a sincronización do reloxo e transmite datos críticos para o tempo; para a transmisión úsanse telegramas de segundo nivel. A duración da transmisión nunha canle isócrona non supera 1 milisegundo.
A canle asíncrona transmite os chamados datos en tempo real, que tamén se abordan mediante un enderezo MAC. Ademais, transmítese información de diagnóstico e auxiliar a través de TCP/IP. Nin os datos en tempo real, nin moito menos outra información, por suposto, poden interromper o ciclo isócrono.
O conxunto ampliado de funcións PROFINET IO non é necesario para todos os sistemas de automatización industrial, polo que este protocolo está escalado para un proxecto específico, tendo en conta as clases de conformidade ou clases de conformidade: CC-A, CC-B, CC-CC. As clases de conformidade permítenche seleccionar dispositivos de campo e compoñentes de backbone coa funcionalidade mínima requirida.
Fonte:
O segundo protocolo de intercambio na rede PROFINET - PROFINET CBA - utilízase para organizar a comunicación industrial entre equipos de diferentes fabricantes. A unidade de produción principal nos sistemas IAS é unha determinada entidade chamada compoñente. Este compoñente adoita ser unha colección de pezas mecánicas, eléctricas e electrónicas dun dispositivo ou instalación, así como o software de aplicación asociado. Para cada compoñente, selecciónase un módulo de software que contén unha descrición completa da interface deste compoñente de acordo cos requisitos do estándar PROFINET. Despois, estes módulos de software úsanse para intercambiar datos con dispositivos.
Protocolo B&R Ethernet POWERLINK
O protocolo Powerlink foi desenvolvido pola empresa austríaca B&R a principios dos anos 2000. Esta é outra implementación dun protocolo en tempo real enriba do estándar Ethernet. A especificación do protocolo está dispoñible e distribúese libremente.
A tecnoloxía Powerlink utiliza un mecanismo de votación mixto, cando toda a interacción entre dispositivos se divide en varias fases. Os datos especialmente críticos transmítense na fase de intercambio isócrono, para o que se configura o tempo de resposta necesario; os datos restantes transmitiranse, sempre que sexa posible, na fase asíncrona.
Controlador B&R cun conxunto de módulos de E/S. Fonte: br-automation.com
O protocolo implementouse orixinalmente encima da capa física 100Base-TX, pero máis tarde desenvolveuse unha implementación de gigabit.
O protocolo Powerlink usa un mecanismo de programación de comunicacións. Un determinado marcador ou mensaxe de control envíase á rede, coa axuda do cal se determina cal dos dispositivos ten actualmente permiso para intercambiar datos. Só un dispositivo pode ter acceso ao intercambio á vez.
Representación esquemática dunha rede Ethernet POWERLINK con múltiples nodos.
Na fase isócrona, o controlador de votación envía secuencialmente unha solicitude a cada nodo desde o que necesita recibir datos críticos.
A fase isócrona realízase, como xa se mencionou, cun tempo de ciclo axustable. Na fase asíncrona do intercambio, utilízase a pila de protocolos IP, o controlador solicita datos non críticos de todos os nodos, que envían unha resposta a medida que acceden para transmitir á rede. A relación de tempo entre as fases isócrona e asincrónica pódese axustar manualmente.
Protocolo Ethernet/IP de Rockwell Automation
O protocolo EtherNet/IP desenvolveuse coa participación activa da empresa estadounidense Rockwell Automation no ano 2000. Usa a pila IP TCP e UDP e esténdea para aplicacións de automatización industrial. A segunda parte do nome, contrariamente á crenza popular, non significa Protocolo de Internet, senón Protocolo Industrial. UDP IP usa a pila de comunicacións CIP (Common Interface Protocol), que tamén se usa nas redes ControlNet/DeviceNet e se implementa enriba de TCP/IP.
A especificación EtherNet/IP está dispoñible para o público e está dispoñible gratuitamente. A topoloxía da rede Ethernet/IP pode ser arbitraria e incluír anel, estrela, árbore ou bus.
Ademais das funcións estándar dos protocolos HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, implementa a transferencia de datos críticos para o tempo entre o controlador de sondeo e os dispositivos de E/S. A transmisión de datos non críticos en tempo realízase mediante paquetes TCP, e a entrega de datos de control cíclico para o tempo crítico realízase mediante o protocolo UDP.
Para sincronizar o tempo en sistemas distribuídos, EtherNet/IP usa o protocolo CIPsync, que é unha extensión do protocolo de comunicación CIP.
Representación esquemática dunha rede Ethernet/IP con varios nodos e conexión de dispositivos Modbus. Fonte:
Para simplificar a configuración da rede EtherNet/IP, a maioría dos dispositivos de automatización estándar veñen con ficheiros de configuración predefinidos.
Implantación do protocolo FBUS en Fastwel
Durante moito tempo pensamos se incluír a empresa rusa Fastwel nesta lista coa súa implementación doméstica do protocolo industrial FBUS, pero despois decidimos escribir un par de parágrafos para comprender mellor as realidades da substitución de importacións.
Hai dúas implementacións físicas de FBUS. Un deles é un bus no que o protocolo FBUS funciona sobre o estándar RS485. Ademais, existe unha implementación de FBUS nunha rede Ethernet industrial.
FBUS dificilmente se pode denominar protocolo de alta velocidade; o tempo de resposta depende moito do número de módulos de E/S no bus e dos parámetros de intercambio; normalmente oscila entre 0,5 e 10 milisegundos. Un nodo escravo FBUS só pode conter 64 módulos de E/S. Para un bus de campo, a lonxitude do cable non pode exceder 1 metro, polo que non estamos a falar de sistemas distribuídos. Ou mellor dito, pero só cando se usa unha rede FBUS industrial sobre TCP/IP, o que significa un aumento do tempo de votación varias veces. Os cables de extensión de bus pódense usar para conectar módulos, o que permite a colocación conveniente dos módulos no armario de automatización.
Controlador Fastwel con módulos de E/S conectados. Fonte:
Total: como todo isto se emprega na práctica nos sistemas de control de procesos automatizados
Por suposto, a variedade de tipos de protocolos de transferencia de datos industriais modernos é moito maior do que describimos neste artigo. Algúns están vinculados a un fabricante específico, outros, pola contra, son universais. Ao desenvolver sistemas de control de procesos automatizados (APCS), o enxeñeiro selecciona os protocolos óptimos, tendo en conta tarefas e restricións específicas (técnicas e orzamentarias).
Se falamos da prevalencia dun determinado protocolo de intercambio, podemos proporcionar un diagrama da empresa HMS Networks AB, que ilustra as cotas de mercado de varias tecnoloxías de intercambio en redes industriais.
Fonte:
Como se pode ver no diagrama, PRONET e PROFIBUS de Siemens ocupan as posicións de liderado.
Curiosamente, hai 6 anos .
A seguinte táboa contén datos resumidos sobre os protocolos de intercambio descritos. Algúns parámetros, por exemplo, o rendemento, exprésanse en termos abstractos: alto / baixo. Os equivalentes numéricos pódense atopar nos artigos de análise de rendemento.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Capa física
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Nivel de datos
|
Canle (cadros Ethernet)
|
Canle (cadros Ethernet)
|
Canle (cadros Ethernet), rede/transporte (TCP/IP)
|
Rede/Transporte (TCP/IP)
|
Rede/Transporte (TCP/IP)
|
|
Soporte en tempo real
|
Si
|
Si
|
Si
|
Si
|
Non
|
|
Produtividade
|
Alto
|
Alto
|
IRT - alto, RT - medio
|
Media
|
Baixo
|
|
Lonxitude de cable entre nós
|
100m
|
100 m/2 km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fases de transferencia
|
Non
|
Isócrono + asíncrono
|
IRT - isócrono + asíncrono, RT - asíncrono
|
Non
|
Non
|
|
Número de nodos
|
65535
|
240
|
Limitación da rede TCP/IP
|
Limitación da rede TCP/IP
|
Limitación da rede TCP/IP
|
|
Resolución de colisións
|
Topoloxía en anel
|
Sincronización do reloxo, fases de transmisión
|
Topoloxía en anel, fases de transmisión
|
Interruptores, topoloxía en estrela
|
Interruptores, topoloxía en estrela
|
|
Intercambio en quente
|
Non
|
Si
|
Si
|
Si
|
Dependendo da implantación
|
|
Custo do equipamento
|
Baixo
|
Baixo
|
Alto
|
Media
|
Baixo
|
As áreas de aplicación dos protocolos de intercambio descritos, buses de campo e redes industriais son moi diversas. Desde a industria química e a automoción ata a tecnoloxía aeroespacial e a fabricación de produtos electrónicos. Os protocolos de intercambio de alta velocidade son demandados en sistemas de posicionamento en tempo real para varios dispositivos e en robótica.
Con que protocolos traballaches e onde os aplicaches? Comparte a túa experiencia nos comentarios. 🙂
Fonte: www.habr.com