beszéltünk arról, hogyan működnek a buszok és protokollok az ipari automatizálásban. Ezúttal a modern munkamegoldásokra összpontosítunk: megnézzük, milyen protokollokat használnak a rendszerek világszerte. Foglalkozunk a német Beckhoff és Siemens, az osztrák B&R, az amerikai Rockwell Automation és az orosz Fastwel technológiáival. Emellett megvizsgáljuk azokat az univerzális megoldásokat is, amelyek nem kötődnek egyetlen gyártóhoz sem, mint például az EtherCAT és a CAN.
A cikk végén egy összehasonlító táblázat található az EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP és ModbusTCP protokollok jellemzőivel.
Nem szerepeltettük a PRP, HSR, OPC UA és egyéb protokollokat az áttekintésben, mivel ezekről a Habra már vannak kiváló cikkek kollégáinkról, akik a berendezések promóciós automatizálásával foglalkoznak. Például, és .
Elsőként határozzuk meg a terminológiát: Industrial Ethernet = ipari hálózat, Fieldbus = mezői busz. Az orosz ipari automatizálásban gyakran zavar támad a kifejezések között, amelyek a mezői buszra és az ipari alsó szintű hálózatra vonatkoznak. Gyakran ezeket a kifejezéseket egyetlen homályos fogalomba összegzik, amelyet alsó szintnek neveznek, amit mezői buszként és alsó szintű buszként is emlegetnek, bár esetleg nem is busz.
Miért van ez?Ez a zűrzavar valószínűleg azért alakult ki, mert sok modern vezérlőben a bemeneti-kimeneti modulok kapcsolata gyakran egy összevonó panel (angolul backplane) vagy fizikai busz segítségével valósul meg. Tehát bizonyos busz érintkezők és csatlakozók használatával egyes modulokat egyetlen egységbe kapcsolnak. De ezek az egységek viszont ipari hálózaton vagy mezői buszon keresztül is összekapcsolhatók. A nyugati terminológiában világos a megkülönböztetés: a hálózat — az hálózat, a busz — az busz. Az elsőt az Industrial Ethernet, a másodikat a Fieldbus kifejezés jelöli. A cikkben ezekre a fogalmakra a "ipari hálózat" és a "mezői busz" terminusokat javasoljuk használni.
Az EtherCAT ipari hálózati standardját a Beckhoff fejlesztette ki.
Az EtherCAT protokoll és az ipari hálózat valószínűleg napjaink egyik leggyorsabb adatátviteli módszere az automatizálási rendszerekben. Az EtherCAT hálózat sikeresen alkalmazható elosztott automatizálási rendszerekben, ahol az interaktív csomópontok nagy távolságra vannak egymástól.
Az EtherCAT protokoll szabványos Ethernet-rámákat használ üzeneteinek továbbítására, ezért kompatibilis bármilyen szabványos Ethernet-eszközzel, így az adatok fogadása és továbbítása gyakorlatilag bármely Ethernet-vezérlőn megvalósítható, a megfelelő szoftver megléte esetén.
Beckhoff vezérlő I/O modulokkal. Forrás:
A protokoll specifikációja nyitott és elérhető, de csak a fejlesztői egyesület keretein belül — EtherCAT Technology Group.
Így működik az EtherCAT (a látvány lenyűgöző, mint a Zuma Inca játék):
A protokollban a gyors adatcsere — ami mikroszekundumokban mérhető — annak köszönhető, hogy a fejlesztők elhagyták az üzenetek közvetlen küldését egy adott eszköznek. Ehelyett az EtherCAT hálózatra egy üzenetet küldenek, amelyet minden eszköz egyszerre fogad. Minden alsóbb csomópont, amely gyűjtő- és adatátviteli funkciót lát el (ezeket gyakran OBJ-nek, azaz objektummal kapcsolatos eszközöknek nevezik), „felfogja” az üzenetből az őt érintő adatokat, és beilleszti a cserére szánt adatokat az üzenetbe. Ezt követően az üzenet a következő alsóbb csomópontra kerül, ahol ugyanez a művelet zajlik. Miután az összes OBJ-n áthaladt, az üzenet visszatér a fő vezérlőhöz, amely az alsóbb eszközöktől kapott adatok alapján megvalósítja a vezérlési logikát, ismét csak az üzeneten keresztül kommunikálva az alsóbb csomópontokkal, amelyek kiengedik a vezérlőjelet a berendezésre.
Az EtherCAT hálózat bármilyen topológiájú lehet, de lényegében mindig gyűrűt alkot — a félépduplex üzemmód és a két Ethernet-csatlakozó miatt. Így az üzenet mindig sorban kerül továbbításra minden eszközhöz a buszon.
Az EtherCAT hálózat vázlatos ábrázolása néhány csomóponttal. Forrás:
Amiatt az EtherCAT specifikációja nem tartalmaz 100Base-TX fizikai szintű korlátozásokat, ezért a protokoll megvalósítása gigabites és optikai vonalak alapján is lehetséges.
Nyílt ipari hálózatok és a Siemens PROFIBUS/NET szabványai
A német Siemens konszern régóta híres programozható logikai vezérlőiről (PLC), amelyeket világszerte használnak.
Az adatok cseréje a Siemens berendezés által vezérelt automatizálási rendszer csomópontjai között a PROFIBUS mezőbuszon és a PROFINET ipari hálózaton keresztül történik.
A PROFIBUS busz egy speciális kétreres kábel használatával készült, DB-9 csatlakozókkal. A Siemens színe ibolyakék, de a gyakorlatban találkoztunk más színekkel is :). Két kábel összekapcsolására a csatlakozó használható, és benne kapcsoló található a végső ellenállásnak. A végső ellenállásnak az hálózat végkomponensein kell lennie, így jelezve van, hogy ez az első vagy az utolsó eszköz, és utána már csak sötétség és üresség van (minden rs485 így működik). Ha a közbenső csatlakozón aktiválják az ellenállást, a mögöttes szakasz le lesz kapcsolva.
PROFIBUS kábel csatlakozókkal. Forrás:
A PROFINET hálózatban általában párhuzamosan vezetett kábelt használnak, RJ-45 csatlakozókkal, a kábel zöld színű. Ha a PROFIBUS topológia busz, a PROFINET hálózat topológiája bármilyen forma lehet: akár gyűrű, akár csillag, akár fa, akár mindez együtt.
Siemens vezérlő PROFINET kábel csatlakozással. Forrás: w3.siemens.com
Több protokoll létezik a PROFIBUS buszon és a PROFINET hálózaton történő adatcserére.
A PROFIBUS esetében:
- A PROFIBUS DP – e protokoll megvalósítása távoli alárendelt eszközökkel való kapcsolatra vonatkozik, a PROFINET esetén ennek a protokollnak a megfelelő protokollja a PROFINET IO.
- A PROFIBUS PA – lényegében ugyanaz, mint a PROFIBUS DP, de robbanásbiztos adatátviteli és táplálási megoldásokhoz használatos (a PROFIBUS DP robbanásbiztos változata más fizikai tulajdonságokkal). Jelenleg a PROFINET robbanásbiztos protokoll analógiája a PROFIBUS esetében még nem létezik.
- A PROFIBUS FMS – az olyan más gyártók rendszerével való adatcserére szolgál, akik nem tudják használni a PROFIBUS DP-t. A PROFIBUS FMS PROFINET hálózati analógja a PROFINET CBA protokoll.
A PROFINET esetében:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
A PROFINET IO protokoll több osztályra oszlik:
- A PROFINET NRT (nem valós idejű) alkalmazásokban használják, ahol az időparaméterek nem kritikusak. Az Ethernet TCP/IP, valamint az UDP/IP adatátviteli protokollt alkalmazza.
- A PROFINET RT (valós idő) esetében a bemeneti/kimeneti adatok cseréje Ethernet keretek segítségével valósul meg, de a diagnosztikai és kommunikációs adatokat továbbra is UDP/IP-n keresztül továbbítják.
- A PROFINET IRT (izokron valós idő) protokollt kifejezetten a mozgásirányítási alkalmazásokhoz fejlesztették ki, és tartalmaz egy izokron adatátviteli fázist.
A PROFINET IRT kemény valós idejű protokoll megvalósítása esetén a távoli eszközökkel folytatott kommunikációk során két csatornát különítenek el: izokron és aszinkron. Az izokron csatorna fix időtartamú ciklusváltással, órajelezett szinkronizálással működik, és időérzékeny adatokat továbbít, ahol a második szintű telegramokat használják. Az izokron csatornában a továbbítás ideje nem haladhatja meg az 1 milliszekundumot.
Az aszinkron csatornán úgynevezett real-time adatokat továbbítanak, amelyek szintén MAC-címmel vannak címezve. Továbbá különböző diagnosztikai és segítő információk is átkerülnek a TCP/IP fölött. Sem a real-time adatok, sem más információk nem szakíthatják meg az izokron ciklust.
A PROFINET IO kibővített funkciókészletére egyáltalán nem minden ipari automatizálási rendszernek van szüksége, így ezt a protokollt a konkrét projektekhez igazítják, figyelembe véve a megfelelőségi osztályokat vagy alkalmazási osztályokat (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. A megfelelőségi osztályok lehetővé teszik a minimálisan szükséges funkciókkal rendelkező mezőeszközök és buszkomponensek kiválasztását.
Forrás:
A PROFINET hálózati kommunikációs protokoll, a PROFINET CBA, lehetővé teszi az ipari kommunikációt különböző gyártók berendezései között. A CBA rendszerek fő termelési egysége egy olyan entitás, amelyet komponensnek neveznek. Ez a komponens általában a gép vagy létesítmény mechanikai, elektromos és elektronikai részének összességét, valamint a megfelelő alkalmazásprogramot tartalmazza. Minden komponenshez kiválasztásra kerül egy programmodul, amely tartalmazza a komponens interfészének teljes leírását a PROFINET szabvány követelményei szerint. Ezeket a programmodulokat használják az adatok cseréjére a berendezésekkel.
A B&R Ethernet POWERLINK protokollja
A Powerlink protokollt a B&R osztrák cég fejlesztette ki az 2000-es évek elején. Ez egy újabb megvalósítása az Ethernet alapú valós idejű protokollnak. A protokoll specifikációja szabadon hozzáférhető és terjeszthető.
A Powerlink technológiában a kevert lekérdezés mechanizmusa alkalmazásra kerül, amikor az eszközök közötti minden interakció több fázisra oszlik. Különösen kritikus adatok az izokron fázisban továbbítódnak, amelyhez a szükséges válaszidőt konfigurálják, a többi adat pedig lehetőség szerint aszinkron fázisban kerül átvitelre.
A B&R folyamat vezérlője bemeneti-kimeneti modulokkal. Forrás: br-automation.com
A protokoll eredetileg a 100Base-TX fizikai szinten valósult meg, de később gigabites megvalósítás is készült.
A Powerlink protokollban átvitel ütemezési mechanizmus használatos. A hálózatba egy jel vagy vezérlő üzenet kerül küldésre, amely meghatározza, hogy melyik eszköznek van éppen engedélye az adatok cseréjére. Minden pillanatban az adatok cseréjéhez csak egy eszköz férhet hozzá.
Az Ethernet POWERLINK hálózat ábrázolása több csomóponttal.
Az izokron fázisban a kérdező vezérlő minden csomópontnak sorban küld egy lekérdezést, amelyből kritikus adatokat kell kapnia.
Az izokron fázis, ahogy már említve volt, állítható ciklusidővel hajtódik végre. Az aszinkron fázisban használt IP protokoll verem, a vezérlő lekérdezi a nem kritikus adatokat minden csomóponttól, amelyek válaszként küldik a választ, amint hozzáférnek a hálózati továbbításhoz. Az izokron és aszinkron fázis közötti időarány manuálisan beállítható.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokollja
Az EtherNet/IP protokollt aktív részvétellel dolgozta ki az amerikai Rockwell Automation cég 2000-ben. A TCP és UDP IP verem használatával bővíti azt ipari automatizálás céljaira. A név második része, a közhiedelemmel ellentétben, nem Internet Protocol-t, hanem Industrial Protocol-t jelent. Az UDP IP a CIP (Common Interface Protocol) protokoll kommunikációs veremét használja, amely szintén megtalálható a ControlNet/DeviceNet hálózatokban, és a TCP/IP fölött valósul meg.
Az EtherNet/IP specifikáció nyilvános és ingyenesen terjeszthető. Az Ethernet/IP hálózat topologyája tetszőleges lehet, és tartalmazhat gyűrűt, csillagot, fát vagy buszt.
A HTTP, FTP, SMTP protokollok standard funkcióin kívül az EtherNet/IP időkritikus adatátvitelt valósít meg az interrogáló vezérlő és a bemeneti/kimeneti eszközök között. A nem időkritikus adatok átvitele TCP csomagokkal történik, míg az időkritikus ciklikus vezérlési adatok átvitele UDP protokollon keresztül zajlik.
Az EtherNet/IP a CIPsync protokollt használja az idő szinkronizálására a decentralizált rendszerekben, amely a CIP kommunikációs protokoll kiterjesztése.
Sémás ábrázolás az Ethernet/IP hálózatról több csomóponttal és Modbus-berendezések csatlakozásával. Forrás:
Az EtherNet/IP hálózat konfigurálásának megkönnyítése érdekében a legtöbb szabványos automatizálási eszköz előre meghatározott konfigurációs fájlokat tartalmaz.
A FBUS protokoll implementálása a Fastwel cégnél
Sokat gondolkodtunk rajta, hogy felvegyük-e ezt a listára a hazai FBUS ipari protokollal rendelkező orosz Fastwel céget, de végül úgy döntöttünk, hogy írunk pár bekezdést a behozatal helyettesítésének jobb megértéséhez.
Két fizikai FBUS megvalósítás létezik. Az egyik egy busz, amelyen a FBUS protokoll az RS485 szabvány fölött működik. Ezen kívül van egy FBUS megvalósítás az ipari Ethernet hálózatban.
Az FBUS nehezen nevezhető gyors protokollnak, a válaszidő erősen függ a buszon lévő I/O modulok számától és a kommunikációs paraméterektől, általában 0,5–10 milliszekundum között változik. Egy alárendelt FBUS csomópont legfeljebb 64 I/O modult tartalmazhat. A mezői busz esetében a kábel hossza nem haladhatja meg az 1 métert, így a elosztott rendszerek nem alkalmazhatóak. Pontosabban beszélhetünk róluk, de csak ipari FBUS hálózat TCP/IP fölött történő használata esetén, ami a lekérdezési idő többszörös növekedését jelenti. A modulok csatlakoztatásához busz hosszabbítók is használhatóak, ami lehetővé teszi a modulok kényelmes elhelyezését az automatizálási szekrényben.
Fastwel vezérlő csatlakoztatott I/O modulokkal. Forrás:
Összességében: hogyan használják mindez a gyakorlatban az ACGTP-ben
Természetesen a modern ipari adatátviteli protokollok fajtái lényegesen nagyobbak, mint amit ebben a cikkben leírtunk. Néhány meghatározott gyártóhoz kötődik, míg mások univerzálisabbak. Az automatizált folyamatirányító rendszerek (ACGTP) fejlesztése során a mérnök az optimális protokollokat választja, figyelembe véve a konkrét feladatokat és korlátozásokat (technikai és költség).
Ha az egyes adatátviteli protokollok elterjedtségéről beszélünk, idézhetjük a vállalat HMS Networks AB, amely illusztrálja a különböző adatcsere technológiák piaci részesedését ipari hálózatokban.
Forrás:
Amint a diagramon látható, a Siemens PRONET és PROFIBUS vezető pozíciót foglal el.
Érdekes, hogy 6 évvel ezelőtt .
Az alábbi táblázat összefoglalja a leírt adatátviteli protokollok adatait. Néhány paraméter, például a teljesítmény absztrakt fogalmakkal van kifejezve: magas/alacsony. A numerikus ekvivalenseket teljesítmény-elemző cikkekben találhatók.
| EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Fizikai réteg | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Adatátviteli szint | Kábel (Ethernet keretek) | Kábel (Ethernet keretek) | Kábel (Ethernet keretek), Hálózati/szállítási (TCP/IP) | Hálózati/szállítási (TCP/IP) | Hálózati/szállítási (TCP/IP) |
Valós idejű támogatás | Igen | Igen | Igen | Igen | Nem |
Teljesítmény | Magas | Magas | IRT – magas, RT – közepes | Közepes | Alacsony |
Kábelhossz a csomópontok között | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Átvitel fázisai | Nem | Izokron + aszinkron | IRT – izokron + aszinkron, RT – aszinkron | Nem | Nem |
Csomópontok száma | 65535 | 240 | TCP/IP hálózat korlátja | TCP/IP hálózat korlátja | TCP/IP hálózat korlátja |
Ütközések feloldása | Gyűrűs topológia | Órás szinkronizálás, átvitel fázisai | Gyűrűs topológia, átvitel fázisai | Switch-ek, csillag topológia | Switch-ek, csillag topológia |
Hot-swap | Nem | Igen | Igen | Igen | A megvalósítástól függően |
A leírt adatkommunikációs protokollok, mezőbuszok és ipari hálózatok alkalmazási területe rendkívül változatos. A vegyipartól és az autóipartól kezdve a légi- és űrtechnológián át az elektronikai gyártásig terjed. A nagy sebességű adatkommunikációs protokollok iránti kereslet élénk a valós idejű eszközhelymeghatározó rendszerekben és a robottechnikában. | Alacsony | Alacsony | Magas | Közepes | Alacsony |
Milyen protokollokkal dolgoztál, és hol alkalmaztad őket? Oszd meg tapasztalataidat a megjegyzésekben. 🙂
🥇A modern protokollok áttekintése az ipari automatizálás rendszereiben | ProHoster
Forrás: habr.com
