kami berbicara tentang cara kerja bus dan protokol dalam otomasi industri. Kali ini kita akan fokus pada solusi kerja modern: kita akan melihat protokol apa yang digunakan dalam sistem di seluruh dunia. Mari kita pertimbangkan teknologi perusahaan Jerman Beckhoff dan Siemens, B&R Austria, American Rockwell Automation, dan Fastwel Rusia. Kami juga akan mempelajari solusi universal yang tidak terikat pada produsen tertentu, seperti EtherCAT dan CAN.
Di akhir artikel akan terdapat tabel perbandingan karakteristik protokol EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP dan ModbusTCP.
Kami tidak menyertakan protokol PRP, HSR, OPC UA dan lainnya dalam peninjauan, karena Sudah ada artikel bagus tentang hal ini di Habré yang ditulis oleh rekan-rekan insinyur kami yang mengembangkan sistem otomasi industri. Misalnya, и .
Pertama, mari kita definisikan terminologinya: Industrial Ethernet = jaringan industri, Fieldbus = field bus. Dalam otomasi industri Rusia, terdapat kebingungan dalam hal terkait bus lapangan dan jaringan industri tingkat rendah. Seringkali istilah-istilah ini digabungkan menjadi satu konsep yang tidak jelas yang disebut "tingkat bawah", yang disebut sebagai fieldbus dan bus sublevel, meskipun mungkin bukan bus sama sekali.
Mengapa begitu?Kebingungan ini kemungkinan besar disebabkan oleh kenyataan bahwa di banyak pengontrol modern, koneksi modul I/O sering diimplementasikan menggunakan backplane atau bus fisik. Artinya, kontak dan konektor bus tertentu digunakan untuk menggabungkan beberapa modul menjadi satu kesatuan. Namun node-node tersebut, pada gilirannya, dapat dihubungkan baik melalui jaringan industri maupun bus lapangan. Ada pembagian yang jelas dalam terminologi Barat: jaringan adalah jaringan, bus adalah bus. Yang pertama disebut dengan istilah Industrial Ethernet, yang kedua dengan Fieldbus. Artikel tersebut mengusulkan untuk menggunakan istilah “jaringan industri” dan istilah “bus lapangan” untuk masing-masing konsep ini.
Standar jaringan industri EtherCAT, dikembangkan oleh Beckhoff
Protokol EtherCAT dan jaringan industri mungkin merupakan salah satu metode transmisi data tercepat dalam sistem otomasi saat ini. Jaringan EtherCAT berhasil digunakan dalam sistem otomasi terdistribusi, di mana node-node yang berinteraksi dipisahkan dalam jarak yang jauh.
Protokol EtherCAT menggunakan frame Ethernet standar untuk mengirimkan telegramnya, sehingga tetap kompatibel dengan peralatan Ethernet standar apa pun dan, pada kenyataannya, penerimaan dan transmisi data dapat diatur pada pengontrol Ethernet mana pun, asalkan perangkat lunak yang sesuai tersedia.
Pengontrol Beckhoff dengan satu set modul I/O. Sumber:
Spesifikasi protokol terbuka dan tersedia, tetapi hanya dalam kerangka asosiasi pengembangan - EtherCAT Technology Group.
Begini cara kerja EtherCAT (tontonannya memesona, seperti game Zuma Inca):
Kecepatan pertukaran yang tinggi dalam protokol ini - dan kita dapat berbicara tentang satuan mikrodetik - diwujudkan karena fakta bahwa pengembang menolak untuk bertukar menggunakan telegram yang dikirim langsung ke perangkat tertentu. Sebaliknya, satu telegram dikirim ke jaringan EtherCAT, ditujukan ke semua perangkat pada saat yang sama, masing-masing node budak untuk mengumpulkan dan mengirimkan informasi (mereka juga sering disebut OSO - perangkat komunikasi objek) mengambilnya “on the fly” data yang dimaksudkan untuknya dan memasukkan ke dalam telegram data yang siap dia berikan untuk pertukaran. Telegram kemudian dikirim ke node budak berikutnya, tempat operasi yang sama terjadi. Setelah melewati semua perangkat kontrol, telegram dikembalikan ke pengontrol utama, yang, berdasarkan data yang diterima dari perangkat budak, mengimplementasikan logika kontrol, kembali berinteraksi melalui telegram dengan node budak, yang mengeluarkan sinyal kontrol ke perlengkapan.
Jaringan EtherCAT dapat memiliki topologi apa pun, tetapi intinya akan selalu berupa ring - karena penggunaan mode dupleks penuh dan dua konektor Ethernet. Dengan cara ini, telegram akan selalu dikirimkan secara berurutan ke setiap perangkat di bus.
Representasi skema jaringan Ethercat dengan banyak node. Sumber:
Omong-omong, spesifikasi EtherCAT tidak mengandung batasan pada lapisan fisik 100Base-TX, sehingga implementasi protokol dimungkinkan berdasarkan gigabit dan jalur optik.
Jaringan industri terbuka dan standar PROFIBUS/NET dari Siemens
Perusahaan Jerman, Siemens, telah lama dikenal dengan pengontrol logika terprogram (PLC), yang digunakan di seluruh dunia.
Pertukaran data antar node sistem otomatis yang dikendalikan oleh peralatan Siemens dilakukan melalui bus lapangan yang disebut PROFIBUS dan di jaringan industri PROFINET.
Bus PROFIBUS menggunakan kabel dua inti khusus dengan konektor DB-9. Siemens memilikinya dalam warna ungu, tetapi kami telah melihat yang lain dalam praktiknya :). Untuk menghubungkan beberapa node, sebuah konektor dapat menghubungkan dua kabel. Ia juga memiliki saklar untuk resistor terminal. Resistor terminal harus dihidupkan pada perangkat ujung jaringan, sehingga menunjukkan bahwa ini adalah perangkat pertama atau terakhir, dan setelah itu tidak ada apa-apa, hanya kegelapan dan kekosongan (semua rs485 bekerja seperti ini). Jika Anda menghidupkan resistor pada konektor perantara, bagian berikutnya akan dimatikan.
Kabel PROFIBUS dengan konektor penghubung. Sumber:
Jaringan PROFINET menggunakan kabel analog twisted pair biasanya dengan konektor RJ-45, kabel berwarna hijau. Jika topologi PROFIBUS adalah bus, maka topologi jaringan PROFINET bisa berupa apa saja: cincin, bintang, pohon, atau gabungan semuanya.
Pengontrol Siemens dengan kabel PROFINET yang terhubung. Sumber: w3.siemens.com
Ada beberapa protokol komunikasi pada bus PROFIBUS dan jaringan PROFINET.
Untuk PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementasi protokol ini melibatkan komunikasi dengan perangkat budak jarak jauh; dalam kasus PROFINET, protokol ini sesuai dengan protokol PROFINET IO.
- PROFIBUS PA pada dasarnya sama dengan PROFIBUS DP, hanya digunakan untuk transmisi data dan catu daya versi tahan ledakan (analog dengan PROFIBUS DP dengan sifat fisik berbeda). Untuk PROFINET, belum ada protokol tahan ledakan yang serupa dengan PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - dirancang untuk pertukaran data dengan sistem dari pabrikan lain yang tidak dapat menggunakan PROFIBUS DP. Analog PROFIBUS FMS di jaringan PROFINET adalah protokol PROFINET CBA.
Untuk PROFINET:
- PROFINET IO;
- CBA PROFINET.
Protokol PROFINET IO dibagi menjadi beberapa kelas:
- PROFINET NRT (non-real time) - digunakan dalam aplikasi di mana parameter waktu tidak penting. Ia menggunakan protokol transfer data Ethernet TCP/IP serta UDP/IP.
- PROFINET RT (waktu nyata) - di sini pertukaran data I/O diimplementasikan menggunakan frame Ethernet, namun data diagnostik dan komunikasi masih ditransfer melalui UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Protokol ini dikembangkan khusus untuk aplikasi kontrol gerak dan mencakup fase transfer data isochronous.
Sedangkan untuk implementasi protokol hard real-time PROFINET IRT, untuk komunikasi dengan perangkat jarak jauh dibedakan dua saluran pertukaran: isochronous dan asynchronous. Saluran isokron dengan panjang siklus pertukaran tetap menggunakan sinkronisasi jam dan mentransmisikan data penting waktu; telegram tingkat kedua digunakan untuk transmisi. Durasi transmisi dalam saluran isochronous tidak melebihi 1 milidetik.
Saluran asinkron mengirimkan apa yang disebut data real-time, yang juga dialamatkan melalui alamat MAC. Selain itu, berbagai informasi diagnostik dan tambahan dikirimkan melalui TCP/IP. Tentu saja, baik data real-time maupun informasi lainnya tidak dapat mengganggu siklus isochronous.
Rangkaian fungsi PROFINET IO yang diperluas tidak diperlukan untuk setiap sistem otomasi industri, sehingga protokol ini diskalakan untuk proyek tertentu, dengan mempertimbangkan kelas kepatuhan atau kelas kesesuaian: CC-A, CC-B, CC-CC. Kelas kepatuhan memungkinkan Anda memilih perangkat lapangan dan komponen tulang punggung dengan fungsionalitas minimum yang diperlukan.
Sumber:
Protokol pertukaran kedua dalam jaringan PROFINET - PROFINET CBA - digunakan untuk mengatur komunikasi industri antara peralatan dari produsen yang berbeda. Unit produksi utama dalam sistem IAS adalah entitas tertentu yang disebut komponen. Komponen ini biasanya merupakan kumpulan bagian mekanis, elektrik, dan elektronik dari suatu perangkat atau instalasi, serta perangkat lunak aplikasi terkait. Untuk setiap komponen, dipilih modul perangkat lunak yang berisi deskripsi lengkap antarmuka komponen ini sesuai dengan persyaratan standar PROFINET. Setelah itu modul perangkat lunak ini digunakan untuk bertukar data dengan perangkat.
Protokol B&R Ethernet POWERLINK
Protokol Powerlink dikembangkan oleh perusahaan Austria B&R pada awal tahun 2000-an. Ini adalah implementasi lain dari protokol real-time di atas standar Ethernet. Spesifikasi protokol tersedia dan didistribusikan secara bebas.
Teknologi Powerlink menggunakan apa yang disebut mekanisme polling campuran, ketika semua interaksi antar perangkat dibagi menjadi beberapa fase. Khususnya data penting ditransmisikan dalam fase pertukaran isokron, yang mana waktu respons yang diperlukan dikonfigurasikan; data yang tersisa akan ditransmisikan, bila memungkinkan, dalam fase asinkron.
Pengontrol B&R dengan satu set modul I/O. Sumber: br-automation.com
Protokol ini awalnya diimplementasikan di atas lapisan fisik 100Base-TX, namun kemudian implementasi gigabit dikembangkan.
Protokol Powerlink menggunakan mekanisme penjadwalan komunikasi. Penanda atau pesan kontrol tertentu dikirim ke jaringan, yang dengannya ditentukan perangkat mana yang saat ini memiliki izin untuk bertukar data. Hanya satu perangkat yang dapat memiliki akses ke bursa dalam satu waktu.
Representasi skema jaringan Ethernet POWERLINK dengan banyak node.
Dalam fase isochronous, pengontrol polling secara berurutan mengirimkan permintaan ke setiap node yang memerlukan penerimaan data penting.
Fase isokron dilakukan, sebagaimana telah disebutkan, dengan waktu siklus yang dapat disesuaikan. Dalam fase pertukaran asinkron, tumpukan protokol IP digunakan, pengontrol meminta data non-kritis dari semua node, yang mengirimkan respons saat mereka mendapatkan akses untuk dikirim ke jaringan. Rasio waktu antara fase isochronous dan asynchronous dapat disesuaikan secara manual.
Protokol Ethernet/IP Otomatisasi Rockwell
Protokol EtherNet/IP dikembangkan dengan partisipasi aktif perusahaan Amerika Rockwell Automation pada tahun 2000. Ia menggunakan tumpukan IP TCP dan UDP, dan memperluasnya untuk aplikasi otomasi industri. Bagian kedua dari namanya, bertentangan dengan kepercayaan umum, tidak berarti Protokol Internet, melainkan Protokol Industri. IP UDP menggunakan tumpukan komunikasi CIP (Common Interface Protocol), yang juga digunakan di jaringan ControlNet/DeviceNet dan diimplementasikan di atas TCP/IP.
Spesifikasi Ethernet/IP tersedia untuk umum dan tersedia secara bebas. Topologi jaringan Ethernet/IP dapat berubah-ubah dan mencakup ring, bintang, pohon, atau bus.
Selain fungsi standar protokol HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, ini mengimplementasikan transfer data penting waktu antara pengontrol polling dan perangkat I/O. Transmisi data non-kritis waktu disediakan oleh paket TCP, dan pengiriman data kontrol siklik yang kritis waktu dilakukan melalui protokol UDP.
Untuk menyinkronkan waktu dalam sistem terdistribusi, EtherNet/IP menggunakan protokol CIPsync, yang merupakan perpanjangan dari protokol komunikasi CIP.
Representasi skema jaringan Ethernet/IP dengan beberapa node dan koneksi perangkat Modbus. Sumber:
Untuk menyederhanakan pengaturan jaringan EtherNet/IP, sebagian besar perangkat otomatisasi standar dilengkapi dengan file konfigurasi yang telah ditentukan sebelumnya.
Implementasi protokol FBUS di Fastwel
Kami sudah lama berpikir apakah akan memasukkan perusahaan Rusia Fastwel ke dalam daftar ini dengan penerapan protokol industri FBUS di dalam negeri, tetapi kemudian kami memutuskan untuk menulis beberapa paragraf untuk lebih memahami realitas substitusi impor.
Ada dua implementasi fisik FBUS. Salah satunya adalah bus yang protokol FBUS berjalan di atas standar RS485. Selain itu, terdapat implementasi FBUS pada jaringan Ethernet industri.
FBUS hampir tidak dapat disebut sebagai protokol berkecepatan tinggi; waktu respons sangat bergantung pada jumlah modul I/O pada bus dan parameter pertukaran; biasanya berkisar antara 0,5 hingga 10 milidetik. Satu node budak FBUS hanya dapat berisi 64 modul I/O. Untuk fieldbus, panjang kabel tidak boleh melebihi 1 meter, jadi kita tidak berbicara tentang sistem terdistribusi. Atau lebih tepatnya, memang demikian, namun hanya jika menggunakan jaringan FBUS industri melalui TCP/IP, yang berarti peningkatan waktu pemungutan suara beberapa kali lipat. Kabel ekstensi bus dapat digunakan untuk menyambungkan modul, yang memungkinkan penempatan modul dengan nyaman di kabinet otomasi.
Pengontrol fastwel dengan modul I/O yang terhubung. Sumber:
Total: bagaimana semua ini digunakan dalam praktik dalam sistem kontrol proses otomatis
Tentu saja, variasi jenis protokol transfer data industri modern jauh lebih banyak daripada yang kami jelaskan di artikel ini. Ada yang terikat pada pabrikan tertentu, ada pula yang sebaliknya bersifat universal. Saat mengembangkan sistem kontrol proses otomatis (APCS), insinyur memilih protokol yang optimal, dengan mempertimbangkan tugas dan batasan tertentu (teknis dan anggaran).
Jika kita berbicara tentang prevalensi protokol pertukaran tertentu, kita dapat memberikan diagram perusahaannya Jaringan HMS AB, yang menggambarkan pangsa pasar berbagai teknologi pertukaran dalam jaringan industri.
Sumber:
Seperti terlihat pada diagram, PRONET dan PROFIBUS dari Siemens menempati posisi terdepan.
Menariknya, 6 tahun lalu .
Tabel di bawah berisi ringkasan data tentang protokol pertukaran yang dijelaskan. Beberapa parameter, misalnya kinerja, dinyatakan dalam istilah abstrak: tinggi/rendah. Persamaan numerik dapat ditemukan dalam artikel analisis kinerja.
|
|
Ethercat
|
Tautan KEKUATAN
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Lapisan fisik
|
100/1000 DASAR-TX
|
100/1000 DASAR-TX
|
100/1000 DASAR-TX
|
100/1000 DASAR-TX
|
100/1000 DASAR-TX
|
|
tingkat data
|
Saluran (bingkai Ethernet)
|
Saluran (bingkai Ethernet)
|
Saluran (frame Ethernet), Jaringan/transportasi (TCP/IP)
|
Jaringan/Transportasi (TCP/IP)
|
Jaringan/Transportasi (TCP/IP)
|
|
Dukungan waktu nyata
|
Ya
|
Ya
|
Ya
|
Ya
|
Tidak
|
|
Performa
|
Tinggi
|
Tinggi
|
IRT – tinggi, RT – sedang
|
Rata-rata
|
Rendah
|
|
Panjang kabel antar node
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fase perpindahan
|
Tidak
|
Isokron + asinkron
|
IRT – isokron + asinkron, RT – asinkron
|
Tidak
|
Tidak
|
|
Jumlah node
|
65535
|
240
|
Batasan Jaringan TCP/IP
|
Batasan Jaringan TCP/IP
|
Batasan Jaringan TCP/IP
|
|
Resolusi tabrakan
|
Topologi cincin
|
Sinkronisasi jam, fase transmisi
|
Topologi ring, fase transmisi
|
Switch, topologi bintang
|
Switch, topologi bintang
|
|
Pertukaran panas
|
Tidak
|
Ya
|
Ya
|
Ya
|
Tergantung pada implementasinya
|
|
Biaya peralatan
|
Rendah
|
Rendah
|
Tinggi
|
Rata-rata
|
Rendah
|
Area penerapan protokol pertukaran, fieldbus, dan jaringan industri yang dijelaskan sangat beragam. Dari industri kimia dan otomotif hingga teknologi luar angkasa dan manufaktur elektronik. Protokol pertukaran berkecepatan tinggi dibutuhkan dalam sistem penentuan posisi real-time untuk berbagai perangkat dan robotika.
Protokol apa yang Anda gunakan dan di mana Anda menerapkannya? Bagikan pengalaman Anda di komentar. 🙂
Sumber: www.habr.com