Prikaz suvremenih protokola u sustavima industrijske automatizacije

U prethodnoj objavi razgovarali smo o tome kako sabirnice i protokoli rade u industrijskoj automatizaciji. Ovaj put ćemo se usredotočiti na suvremena radna rješenja: pogledat ćemo koji se protokoli koriste u sustavima diljem svijeta. Razmotrimo tehnologije njemačkih tvrtki Beckhoff i Siemens, austrijske B&R, američke Rockwell Automation i ruske Fastwel. Proučavat ćemo i univerzalna rješenja koja nisu vezana za određenog proizvođača, kao što su EtherCAT i CAN. 

Na kraju članka nalazi se usporedna tablica s karakteristikama EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP i ModbusTCP protokola.

Protokole PRP, HSR, OPC UA i druge nismo uključili u pregled jer Na Habréu već postoje izvrsni članci o njima naših kolega inženjera koji razvijaju sustave industrijske automatizacije. Na primjer, “PRP i HSR “besprijekorni” protokoli zalihosti” и “Gateways protokola industrijske razmjene na Linuxu. Sastavite sami".

Prvo, definirajmo terminologiju: Industrijski Ethernet = industrijska mreža, Fieldbus = sabirnica polja. U ruskoj industrijskoj automatizaciji postoji zbrka u pojmovima koji se odnose na sabirnicu polja i industrijsku mrežu niže razine. Često se ovi izrazi kombiniraju u jedan, nejasan koncept nazvan "niža razina", koji se naziva i sabirnicom polja i sabirnicom podrazine, iako to možda uopće nije sabirnica.

Zašto je to?Ova zabuna je najvjerojatnije uzrokovana činjenicom da se u mnogim modernim kontrolerima veza I/O modula često provodi pomoću stražnje ploče ili fizičke sabirnice. Odnosno, određeni kontakti sabirnice i konektori koriste se za kombiniranje nekoliko modula u jednu jedinicu. Ali takvi se čvorovi, zauzvrat, mogu međusobno povezati i industrijskom mrežom i terenskom sabirnicom. U zapadnoj terminologiji postoji jasna podjela: mreža je mreža, autobus je autobus. Prvi je označen pojmom Industrial Ethernet, a drugi Fieldbusom. U članku se za te pojmove predlaže korištenje pojma „industrijska mreža“, odnosno „field bus“.

Industrijska mreža Standard Ethercat, koji je razvio Beckhoff

Protokol i industrijska mreža Ethercat možda je jedna od najbržih metoda prijenosa podataka u sustavima automatizacije danas. EtherCAT mreža se uspješno koristi u distribuiranim automatizacijskim sustavima, gdje se interaktivni čvorovi razdvajaju na velike udaljenosti.

Protokol EtherCAT koristi standardne Ethernet okvire za prijenos svojih telegrama, tako da ostaje kompatibilan sa bilo kojom standardnom Ethernet opremom i, zapravo, prijem i prijenos podataka može se organizirati na bilo kojem Ethernet kontroleru, pod uvjetom da je odgovarajući softver dostupan.

Beckhoff kontroler sa setom I/O modula. Izvor: www.beckhoff.de

Specifikacija protokola je otvorena i dostupna, ali samo u okviru razvojne udruge - EtherCAT Technology Group.

Evo kako Ethercat djeluje (spektakl je očaravajući, poput igre Zuma Inka):

Velika brzina razmjene u ovom protokolu - a možemo govoriti o jedinicama mikrosekundi - ostvarena je zbog činjenice da su programeri odbili razmjenu pomoću telegrama koji su poslani izravno na određeni uređaj. Umjesto toga, šalje se jedan telegram u EtherCAT mrežu, adresiran na sve uređaje u isto vrijeme, svaki od slave čvorova za prikupljanje i prijenos informacija (često se nazivaju i OSO - objektni komunikacijski uređaj) preuzima od njega “u hodu” podatke koji su mu bili namijenjeni i unosi u telegram podatke koje je spreman dati za razmjenu. Telegram se zatim šalje sljedećem podređenom čvoru, gdje se odvija ista operacija. Prošavši kroz sve upravljačke uređaje, telegram se vraća u glavni kontroler, koji na temelju podataka dobivenih od podređenih uređaja implementira upravljačku logiku, ponovno u interakciji preko telegrama sa podređenim čvorovima, koji izdaju upravljački signal prema oprema.

Ethercat mreža može imati bilo kakvu topologiju, ali u osnovi će to uvijek biti prsten - zbog upotrebe punog dupleksnog načina i dva Ethernet konektora. Na taj će se način telegram uvijek prenositi uzastopno na svaki uređaj na sabirnici.

Shematski prikaz mreže ethercat s više čvorova. Izvor: Realpars.com

Usput, specifikacija ethercat ne sadrži ograničenja na fizički sloj 100BASE-TX, pa je moguća implementacija protokola na temelju gigabitnih i optičkih linija.

Otvorene industrijske mreže i Profibus/Neto standardi od Siemensa

Njemačka briga Siemens je odavno poznata po svojim programibilnim logičkim kontrolerima (PLCS), koji se koriste u cijelom svijetu.

Razmjena podataka između čvorova automatiziranog sustava kontroliranog Siemensovom opremom odvija se i preko fieldbus-a pod nazivom PROFIBUS iu industrijskoj mreži PROFINET.

Profibus sabirnicu koristi poseban dvojezgreni kabel s DB-9 konektorima. Siemens ga ima u ljubičastoj boji, ali vidjeli smo druge u praksi :). Za povezivanje s više čvorova, priključak može povezati dva kabela. Također ima prekidač za terminalni otpornik. Terminalni otpornik mora biti uključen na krajnjim uređajima mreže, što ukazuje na to da je ovo prvi ili posljednji uređaj, a nakon toga ne postoji ništa, samo tama i praznina (svi RS485 rade ovako). Ako uključite otpornik na intermedijarnom konektoru, odjeljak koji slijedi bit će isključen.

Profibus kabel s priključnim priključcima. Izvor: VIPA ControlsAmerica

Profinet mreža koristi analogni kabel upletenog para, obično s RJ-45 priključcima, kabel je obojeno zeleno. Ako je topologija Profibusa autobus, tada topologija mreže Profinet može biti bilo što: prsten, zvijezda, stablo ili sve u kombinaciji.

Siemens regulator sa spojenim kabelom Profinet. Izvor: W3.Siemens.com

Postoji nekoliko komunikacijskih protokola na PROFIBUS sabirnici iu PROFINET mreži.

Za PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - implementacija ovog protokola uključuje komunikaciju s udaljenim slave uređajima, u slučaju PROFINET-a ovaj protokol odgovara PROFINET IO protokolu.
2. PROFIBUS PA je u biti isti kao PROFIBUS DP, samo se koristi za protueksplozijske verzije prijenosa podataka i napajanja (analogno PROFIBUS DP-u s drugačijim fizičkim svojstvima). Za PROFINET još ne postoji protokol otporan na eksploziju sličan PROFIBUS-u.
3. Profibus FMS - dizajniran za razmjenu podataka sa sustavima drugih proizvođača koji ne mogu koristiti Profibus DP. Analog Profibus FMS u mreži Profinet je Profinet CBA protokol.

Za Profinet:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol Profinet IO podijeljen je u nekoliko klasa:

• PROFINET NRT (non-real time) - koristi se u aplikacijama gdje vremenski parametri nisu kritični. Koristi Ethernet TCP/IP protokol za prijenos podataka kao i UDP/IP.
• PROFINET RT (stvarno vrijeme) - ovdje se I/O razmjena podataka provodi pomoću Ethernet okvira, ali se dijagnostički i komunikacijski podaci i dalje prenose putem UDP/IP. 
• Profinet IRT (izohrono u stvarnom vremenu) - Ovaj protokol razvijen je posebno za aplikacije za kontrolu pokreta i uključuje fazu izohronog prijenosa podataka.

Što se tiče provedbe Profinet IRT protokola u stvarnom vremenu, za komunikaciju s udaljenim uređajima razlikuje dva razmjenska kanala: izohrone i asinhrone. Izohroni kanal s fiksnom duljinom ciklusa razmjene koristi sinkronizaciju sata i prenosi vremenski kritične podatke; za prijenos se koriste telegrami na drugoj razini. Trajanje prijenosa u izohronom kanalu ne prelazi 1 milisekundu.

Asinhroni kanal prenosi takozvane podatke u stvarnom vremenu, koji se također obrađuju putem MAC adrese. Uz to, različite dijagnostičke i pomoćne informacije prenose se preko TCP/IP. Ni podaci u stvarnom vremenu, još manje drugih informacija, naravno, ne mogu prekinuti izohroni ciklus.

Prošireni skup PROFINET IO funkcija nije potreban za svaki sustav industrijske automatizacije, tako da je ovaj protokol skaliran za određeni projekt, uzimajući u obzir klase usklađenosti ili klase usklađenosti: CC-A, CC-B, CC-CC. Klase sukladnosti omogućuju vam odabir terenskih uređaja i komponenti okosnice s minimalnom potrebnom funkcionalnošću. 

Izvor: Lekcija Sveučilišta Profinet

Drugi protokol razmjene u mreži Profinet - Profinet CBA - koristi se za organiziranje industrijske komunikacije između opreme različitih proizvođača. Glavna proizvodna jedinica u IAS sustavima je određeni entitet koji se naziva komponenta. Ova komponenta je obično zbirka mehaničkih, električnih i elektroničkih dijelova uređaja ili instalacije, kao i pridruženi aplikacijski softver. Za svaku komponentu odabran je softverski modul koji sadrži cjelovit opis sučelja ove komponente u skladu sa zahtjevima Profinet Standarda. Nakon čega se ti softverski moduli koriste za razmjenu podataka s uređajima. 

B&R Ethernet POWERLINK protokol

Powerlink protokol razvila je austrijska tvrtka B&R početkom 2000 -ih. Ovo je još jedna provedba protokola u stvarnom vremenu na vrhu Ethernet standarda. Specifikacija protokola je dostupna i slobodno distribuirana. 

PowerLink tehnologija koristi takozvani miješani mehanizam za biranje, kada je sva interakcija između uređaja podijeljena u nekoliko faza. Posebno se kritični podaci prenose u fazi izohrone razmjene, za koju je konfigurirano potrebno vrijeme odziva; preostali podaci će se prenijeti, kad god je to moguće, u asinhronoj fazi.

B&R kontroler sa setom I/O modula. Izvor: br-automation.com

Protokol je izvorno implementiran na vrhu fizičkog sloja 100BASE-TX, ali kasnije je razvijena implementacija gigabita.

PowerLink protokol koristi mehanizam za planiranje komunikacije. Određeni marker ili kontrolna poruka šalje se mreži, uz pomoć čiji je način određen koji od uređaja trenutno ima dozvolu za razmjenu podataka. Samo jedan uređaj može imati pristup razmjeni odjednom.

Shematski prikaz Ethernet POWERLINK mreže s više čvorova.

U izokronoj fazi, polling kontroler sekvencijalno šalje zahtjev svakom čvoru od kojeg treba primiti kritične podatke. 

Izohrona faza provodi se, kao što je već spomenuto, s podesivim ciklusom. U asinhronoj fazi razmjene koristi se IP protokol, kontroler zahtijeva nekritične podatke iz svih čvorova, koji šalju odgovor jer dobivaju pristup prijenosu u mrežu. Omjer vremena između izohrone i asinhrone faze može se podesiti ručno.

Rockwell Automation Ethernet/IP protokol

Protokol EtherNet/IP razvijen je uz aktivno sudjelovanje američke tvrtke Rockwell Automation 2000. godine. Koristi TCP i UDP IP stack i proširuje ga za aplikacije industrijske automatizacije. Drugi dio naziva, suprotno uvriježenom mišljenju, ne znači internetski protokol, već industrijski protokol. UDP IP koristi CIP (Common Interface Protocol) komunikacijski stog, koji se također koristi u ControlNet/DeviceNet mrežama i implementiran je povrh TCP/IP.

EtherNet/IP specifikacija je javno dostupna i besplatno dostupna. Topologija Ethernet/IP mreže može biti proizvoljna i uključivati ​​prsten, zvijezdu, stablo ili sabirnicu.

Pored standardnih funkcija HTTP, FTP, SMTP, Ethernet/IP protokola, provodi prijenos vremenski kritičnih podataka između kontrolera biranja i I/O uređaja. Prijenos ne-kritičnih podataka osigurava TCP paketi, a vremenski kritično isporuku cikličkih kontrolnih podataka provodi se putem UDP protokola. 

Za sinkronizaciju vremena u distribuiranim sustavima, Ethernet/IP koristi protokol CIPSYNC, koji je proširenje CIP komunikacijskog protokola.

Shematski prikaz Ethernet/IP mreže s nekoliko čvorova i povezivanjem Modbus uređaja. Izvor: www.icpdas.com.tw

Kako bi se pojednostavilo postavljanje mreže EtherNet/IP, većina standardnih uređaja za automatizaciju dolazi s unaprijed definiranim konfiguracijskim datotekama.

Implementacija FBUS protokola u Fastwelu

Dugo smo razmišljali hoćemo li na ovaj popis uključiti rusku kompaniju Fastwel svojom domaćom provedbom industrijskog protokola FBUS, ali tada smo odlučili napisati nekoliko odlomaka radi boljeg razumijevanja stvarnosti supstitucije uvoza.

Postoje dvije fizičke implementacije FBUS-a. Jedan od njih je sabirnica u kojoj FBUS protokol radi povrh standarda RS485. Osim toga, postoji implementacija FBUS-a u industrijskoj Ethernet mreži.

FBUS se teško može nazvati brzim protokolom, vrijeme odziva jako ovisi o broju I/O modula na sabirnici i parametrima razmjene; ​​obično se kreće od 0,5 do 10 milisekundi. Jedan FBUS slave čvor može sadržavati samo 64 I/O modula. Za fieldbus duljina kabela ne smije biti veća od 1 metra, tako da ne govorimo o distribuiranim sustavima. Točnije, ima, ali samo kada se koristi industrijska FBUS mreža preko TCP/IP-a, što znači višestruko povećanje vremena anketiranja. Za spajanje modula mogu se koristiti produžni kabeli sabirnice, što omogućuje praktično postavljanje modula u ormar za automatizaciju.

Fastwel kontroler s povezanim I/O modulima. Izvor: Kontrolni inženjering Rusija

Ukupno: kako se sve to koristi u praksi u automatiziranim sustavima upravljanja procesima

Naravno, raznolikost vrsta modernih protokola za prijenos industrijskih podataka mnogo je veća nego što smo opisali u ovom članku. Neki su vezani za određenog proizvođača, neki su, naprotiv, univerzalni. Prilikom razvoja automatiziranih sustava za kontrolu procesa (APCS), inženjer odabire optimalne protokole, uzimajući u obzir određene zadatke i ograničenja (tehnički i proračunski).

Ako govorimo o prevalenciji određenog protokola razmjene, možemo dati dijagram tvrtke HMS Networks AB, koji ilustrira tržišne udjele različitih tehnologija razmjene u industrijskim mrežama.

Izvor: HMS Networks AB

Kao što se može vidjeti na dijagramu, PRONET i PROFIBUS iz Siemensa zauzimaju vodeća mjesta.

Zanimljivo, prije 6 god 60% tržišta zauzeli su PROFINET i Ethernet/IP protokoli.

Tablica u nastavku sadrži sažetke podataka o opisanim protokolima razmjene. Neki parametri, na primjer, performanse, izraženi su apstraktnim izrazima: visoki / niski. Numerički ekvivalenti mogu se naći u člancima o analizi performansi. 

	Ethercat	POWERLINK	Profinet	Ethernet/IP	ModbusTCP
Fizički sloj	100/1000 baza-tx	100/1000 baza-tx	100/1000 baza-tx	100/1000 baza-tx	100/1000 baza-tx
Razina podataka	Kanal (Ethernet okviri)	Kanal (Ethernet okviri)	Kanal (Ethernet okviri), Network/Transport (TCP/IP)	Mreža/prijenos (TCP/IP)	Mreža/prijenos (TCP/IP)
Podrška u stvarnom vremenu	Da	Da	Da	Da	Ne
Performanse	Visok	Visok	IRT – visoka, RT – srednja	Prosjek	Низкая
Duljina kabela između čvorova	100m	100m/2km	100m	100m	100m
Faze prijenosa	Ne	Izokrono + asinkrono	IRT - Izohroni + asinhroni, RT - asinhroni	Ne	Ne
Broj čvorova	65535	240	Ograničenje TCP/IP mreže	Ograničenje TCP/IP mreže	Ograničenje TCP/IP mreže
Rješavanje sudara	Topologija prstena	Sinkronizacija sata, faze prijenosa	Topologija prstena, faze prijenosa	Prekidači, topologija zvijezda	Prekidači, topologija zvijezda
Vruća zamjena	Ne	Da	Da	Da	Ovisno o provedbi
Trošak opreme	Низкая	Низкая	Visok	Prosjek	Низкая

Područja primjene opisanih protokola razmjene, sabirnica polja i industrijskih mreža vrlo su raznolika. Od kemijske i automobilske industrije do zrakoplovne tehnologije i proizvodnje elektronike. Protokoli velike brzine razmjene traženi su u sustavima za pozicioniranje u stvarnom vremenu za razne uređaje iu robotici.

S kojim ste protokolima radili i gdje ste ih nanijeli? Podijelite svoje iskustvo u komentarima. 🙂

Izvor: www.habr.com