abbiamo parlato di come funzionano i bus e i protocolli nell'automazione industriale. Questa volta ci concentreremo su moderne soluzioni lavorative: vedremo quali protocolli vengono utilizzati nei sistemi in tutto il mondo. Esamineremo le tecnologie delle aziende tedesche Beckhoff e Siemens, l'austriaca B&R, l'americana Rockwell Automation e la russa Fastwel. Studieremo anche soluzioni universali che non sono legate a un produttore specifico, come EtherCAT e CAN.
Alla fine dell'articolo ci sarà una tabella comparativa con le caratteristiche dei protocolli EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP e ModbusTCP.
Non abbiamo incluso nella panoramica i protocolli PRP, HSR, OPC UA e altri, in quanto su Habr ci sono già ottimi articoli dei nostri colleghi ingegneri che si occupano dello sviluppo di sistemi di automazione industriale. Per esempio, e .
Per iniziare, definiamo la terminologia: Industrial Ethernet = rete industriale, Fieldbus = bus di campo. Nell'automazione industriale russa, si verifica spesso confusione nei termini riguardanti il bus di campo e la rete industriale di basso livello. Spesso questi termini vengono uniti in un concetto vago chiamato «basso livello», che viene denominato sia bus di campo sia bus di basso livello, sebbene in realtà possa anche non essere un bus.
Perché è così?Tale confusione è probabilmente legata al fatto che nei moderni controllori, il collegamento dei moduli di input/output è spesso realizzato utilizzando un pannello di interconnessione (backplane) o un bus fisico. Quindi vengono utilizzati determinati contatti e connettori per collegare più moduli in un'unità unica. Ma tali unità, a loro volta, possono essere collegate tra loro sia tramite rete industriale che tramite bus di campo. Nella terminologia occidentale esiste una chiara distinzione: rete significa rete, bus significa bus. Il primo è indicato dal termine Industrial Ethernet, il secondo dal termine Fieldbus. Nell'articolo si propone di utilizzare il termine «rete industriale» e il termine «bus di campo» rispettivamente per questi concetti.
Lo standard della rete industriale EtherCAT, sviluppo dell'azienda Beckhoff
Il protocollo e la rete industriale EtherCAT sono, senza dubbio, uno dei metodi più veloci attualmente disponibili per la trasmissione dei dati nei sistemi di automazione. La rete EtherCAT è utilizzata con successo in sistemi di automazione distribuiti, dove i nodi interagenti sono sparsi su una vasta area.
Il protocollo EtherCAT utilizza frame Ethernet standard per la trasmissione dei suoi telegrammi, quindi mantiene la compatibilità con qualsiasi attrezzatura Ethernet standard e, in sostanza, la ricezione e la trasmissione dei dati possono essere organizzate su qualsiasi controller Ethernet, a condizione che ci sia il software appropriato.
Controller Beckhoff con un set di moduli di input/output. Fonte:
La specifica del protocollo è aperta e disponibile, ma solo nell'ambito dell'associazione di sviluppo — EtherCAT Technology Group.
Ecco come funziona EtherCAT (uno spettacolo affascinante, come il gioco Zuma Inca):
L'alta velocità di scambio in questo protocollo — si parla di unità di microsecondi — è realizzata grazie al fatto che gli sviluppatori hanno rinunciato allo scambio tramite telegrammi inviati direttamente a un dispositivo specifico. Invece, viene inviata una singola telegramma alla rete EtherCAT, indirizzata a tutti i dispositivi contemporaneamente. Ogni nodo subordinato di raccolta e trasmissione delle informazioni (spesso chiamato anche USC — dispositivo di comunicazione con l'oggetto) preleva al volo i dati che gli sono destinati e inserisce nella telegramma i dati che è pronto a fornire per lo scambio. Dopo di che, la telegramma viene inviata al nodo subordinato successivo, dove avviene la stessa operazione. Dopo aver passato tutti gli USC, la telegramma torna al controller principale, che sulla base dei dati ricevuti dai dispositivi subordinati realizza la logica di controllo, interagendo nuovamente tramite telegramma con i nodi subordinati, che forniscono un segnale di controllo all'attrezzatura.
La rete EtherCAT può avere qualsiasi topologia, ma fondamentalmente sarà sempre un anello — a causa dell'uso della modalità full-duplex e dei due connettori Ethernet. In questo modo, la telegramma sarà sempre trasmessa in sequenza a ciascun dispositivo sulla rete.
Rappresentazione schematica della rete Ethercat con diversi nodi. Fonte:
A proposito, la specifica EtherCAT non ha restrizioni sul livello fisico 100Base-TX, quindi l'implementazione del protocollo è possibile sulla base di linee gigabit e ottiche.
Reti industriali aperte e standard PROFIBUS/NW di Siemens
Il gruppo tedesco Siemens è famoso da tempo per i suoi controllori logici programmabili (PLC), utilizzati in tutto il mondo.
Lo scambio di dati tra i nodi di un sistema automatizzato gestito dall'hardware Siemens avviene sia tramite il bus di campo chiamato PROFIBUS, sia nella rete industriale PROFINET.
Il bus PROFIBUS utilizza un cavo a coppia torsionata speciale con connettori DB-9. In Siemens è viola, ma in pratica abbiamo visto anche altri colori :). Per collegare più nodi, il connettore può unire due cavi. Ha anche un commutatore per la resistenza terminale. La resistenza terminale deve essere attivata sui dispositivi finali della rete, in questo modo viene segnalato che si tratta del primo o dell'ultimo dispositivo, e dopo di esso non c'è più nulla, solo oscurità e vuoto (tutti i rs485 funzionano così). Se la resistenza viene attivata su un connettore intermedio, il segmento successivo sarà disattivato.
Cavo PROFIBUS con connettori. Fonte:
Nella rete PROFINET si utilizza un analogo della coppia torsionata, di solito con connettori RJ-45, il cavo è verniciato di colore verde. Se la topologia di PROFIBUS è a bus, la topologia della rete PROFINET può essere qualsiasi cosa: un anello, una stella, un albero o tutto insieme.
Controllore Siemens con cavo PROFINET collegato. Fonte: w3.siemens.com
Esistono diversi protocolli di comunicazione per il bus PROFIBUS e la rete PROFINET.
Per PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - l'implementazione di questo protocollo implica la comunicazione con dispositivi subordinati remoti, nel caso di PROFINET il protocollo equivalente è PROFINET IO.
- PROFIBUS PA - è sostanzialmente lo stesso di PROFIBUS DP, ma è utilizzato per versioni a prova di esplosione per il trasferimento di dati e alimentazione (analogamente a PROFIBUS DP con diverse proprietà fisiche). Finora non esiste un protocollo a prova di esplosione per PROFINET in analogia a PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - è destinato allo scambio di dati con sistemi di altri produttori che non possono utilizzare PROFIBUS DP. L'analogo di PROFIBUS FMS nella rete PROFINET è il protocollo PROFINET CBA.
Per PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Il protocollo PROFINET IO si suddivide in diverse classi:
- PROFINET NRT (senza tempo reale) è utilizzato in applicazioni dove i parametri temporali non sono critici. Utilizza il protocollo di trasmissione dati Ethernet TCP/IP, oltre a UDP/IP.
- PROFINET RT (tempo reale) implementa lo scambio di dati di input/output tramite frame Ethernet, ma i dati diagnostici e di comunicazione vengono ancora trasmessi tramite UDP/IP.
- PROFINET IRT (tempo reale isocrono) è un protocollo sviluppato specificamente per applicazioni di controllo del movimento e comprende una fase di trasmissione dati isocrona.
Per quanto riguarda l'implementazione del protocollo di tempo reale rigido PROFINET IRT, per le comunicazioni con dispositivi remoti sono previsti due canali di scambio: isocrono e asincrono. Il canale isocrono, con una durata fissa del ciclo di scambio, utilizza la sincronizzazione di clock e trasmette dati critici in tempo; per la trasmissione vengono utilizzati datagrammi di livello due. La durata della trasmissione nel canale isocrono non supera 1 millisecondo.
Nel canale asincrono vengono trasmessi i cosiddetti dati real-time, che vengono anch'essi indirizzati tramite indirizzo MAC. Viene inoltre trasmessa una varietà di informazioni diagnostiche e ausiliarie sopra TCP/IP. Né i dati real-time né altre informazioni possono, ovviamente, interrompere il ciclo isocrono.
Un set di funzioni avanzato PROFINET IO non è necessario per ogni sistema di automazione industriale, quindi questo protocollo viene scalato per progetti specifici, tenendo conto delle classi di conformità o delle classi applicative (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Le classi di conformità consentono di scegliere dispositivi di campo e componenti di bus con la funzionalità minima necessaria.
Fonte:
Il secondo protocollo di comunicazione nella rete PROFINET — PROFINET CBA — è utilizzato per organizzare la comunicazione industriale tra apparecchiature di diversi produttori. L'unità produttiva principale nei sistemi CBA è un'entità chiamata componente. Questo componente è generalmente una combinazione di parti meccaniche, elettriche ed elettroniche del dispositivo o dell'impianto, insieme al corrispondente software applicativo. Per ogni componente viene scelto un modulo software che contiene una descrizione completa dell'interfaccia di questo componente secondo i requisiti dello standard PROFINET. Questi moduli software vengono quindi utilizzati per lo scambio di dati con i dispositivi.
Protocollo Ethernet POWERLINK di B&R
Il protocollo Powerlink è stato sviluppato dall'azienda austriaca B&R all'inizio degli anni 2000. Si tratta di un'altra implementazione del protocollo in tempo reale sopra lo standard Ethernet. La specifica del protocollo è disponibile e distribuita liberamente.
Nella tecnologia Powerlink viene applicato un meccanismo di quello che si chiama polling misto, dove tutte le interazioni tra i dispositivi sono suddivise in diverse fasi. I dati particolarmente critici vengono trasmessi nella fase isocrona di scambio, per la quale viene impostato il tempo di risposta richiesto; gli altri dati verranno trasmessi in modo asincrono nella fase successiva.
Controllore B&R con un set di moduli di input/output. Fonte: br-automation.com
Inizialmente, il protocollo è stato implementato sopra il livello fisico 100Base-TX, ma in seguito è stata sviluppata anche un'implementazione gigabit.
Il protocollo Powerlink utilizza un meccanismo di pianificazione dello scambio. Viene inviato in rete un certo marcatore o messaggio di controllo, che determina quale dispositivo ha attualmente il permesso di scambiare dati. In ogni momento, solo un dispositivo può avere accesso allo scambio.
Rappresentazione schematica della rete Ethernet POWERLINK con più nodi.
Nella fase isocrona, il controllore interrogante invia sequenzialmente una richiesta a ciascun nodo da cui si devono ottenere dati critici.
La fase isocronica viene eseguita, come già detto, con un tempo di ciclo configurabile. Nella fase asincrona della comunicazione, lo stack del protocollo IP viene utilizzato, il controller richiede dati non critici a tutti i nodi, che inviano una risposta man mano che ottengono accesso alla trasmissione in rete. Il rapporto temporale tra le fasi isocronica e asincrona può essere regolato manualmente.
Protocollo Ethernet/IP di Rockwell Automation
Il protocollo EtherNet/IP è stato sviluppato con il contributo attivo della società americana Rockwell Automation nel 2000. Utilizza uno stack IP TCP e UDP e lo estende per applicazioni di automazione industriale. La seconda parte del nome, contrariamente a quanto comunemente si pensa, non significa Internet Protocol, ma Industrial Protocol. UDP IP utilizza lo stack di comunicazione del protocollo CIP (Common Interface Protocol), anch'esso utilizzato nelle reti ControlNet / DeviceNet e implementato sopra TCP/IP.
La specifica EtherNet/IP è di pubblico dominio e viene distribuita gratuitamente. La topologia della rete Ethernet/IP può essere arbitraria e includere anelli, stelle, alberi o bus.
Oltre alle funzionalità standard dei protocolli HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementa la trasmissione di dati critici per il tempo di consegna tra il controller di polling e i dispositivi di input/output. La trasmissione di dati non critici per il tempo è garantita dai pacchetti TCP, mentre la consegna critica dei dati ciclici di controllo avviene tramite il protocollo UDP.
Per la sincronizzazione del tempo nei sistemi distribuiti, EtherNet/IP utilizza il protocollo CIPsync, che è un'estensione del protocollo di comunicazione CIP.
Immagine schematica della rete Ethernet/IP con più nodi e connessione di dispositivi Modbus. Fonte:
Per semplificare la configurazione della rete EtherNet/IP, la maggior parte dei dispositivi di automazione standard viene fornita con file di configurazione predefiniti.
Implementazione del protocollo FBUS presso Fastwel
Abbiamo riflettuto a lungo se includere la società russa Fastwel con la sua implementazione nazionale del protocollo industriale FBUS in questo elenco, ma alla fine abbiamo deciso di scrivere un paio di paragrafi per una migliore comprensione della realtà dell'import substitution.
Esistono due implementazioni fisiche di FBUS. Una di esse è un bus in cui il protocollo FBUS funziona sopra lo standard RS485. In aggiunta, c'è un'implementazione di FBUS nella rete industriale Ethernet.
FBUS non può essere definito un protocollo ad alta velocità, poiché il tempo di risposta dipende fortemente dal numero di moduli I/O sul bus e dai parametri di comunicazione, oscillando normalmente tra 0,5 e 10 millisecondi. Un nodo subordinato FBUS può contenere solo 64 moduli I/O. Per il bus di campo, la lunghezza del cavo non può superare il 1 metro, quindi non si parla di sistemi distribuiti. Piuttosto, si può parlare solo utilizzando una rete industriale FBUS sopra TCP/IP, il che significa un aumento del tempo di polling di diversi fattori. I moduli possono essere collegati tramite estensori di bus, consentendo una sistemazione comoda dei moduli nella cabina di automazione.
Controllore Fastwel con moduli I/O collegati. Fonte:
In sintesi: come viene utilizzato tutto questo nella APC
Naturalmente, la varietà di moderni protocolli di trasmissione dati è molto più ampia di quanto descritto in questo articolo. Alcuni sono legati a un produttore specifico, mentre altri sono, al contrario, universali. Quando si sviluppano sistemi automatizzati di controllo dei processi (APC), gli ingegneri scelgono i protocolli ottimali, tenendo conto delle specifiche esigenze e dei vincoli (tecnici e di budget).
Se parliamo della diffusione di un protocollo di comunicazione specifico, possiamo mostrare un diagramma dell'azienda HMS Networks AB, che illustra le quote di mercato delle diverse tecnologie di comunicazione nelle reti industriali.
Fonte:
Come si può vedere nel diagramma, PRONET e PROFIBUS di Siemens occupano posizioni di leadership.
È interessante notare che 6 anni fa .
Nella tabella seguente sono raccolti dati di sintesi sui protocolli di comunicazione descritti. Alcuni parametri, ad esempio, le prestazioni, sono espressi in termini astratti: alta/bassa. Gli equivalenti numerici possono essere trovati negli articoli di analisi delle prestazioni.
| EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Livello fisico | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Livello di trasmissione dati | Livello link (frame Ethernet) | Livello link (frame Ethernet) | Livello link (frame Ethernet), Livello di rete/trasporto (TCP/IP) | Livello di rete/trasporto (TCP/IP) | Livello di rete/trasporto (TCP/IP) |
Supporto in tempo reale | Sì | Sì | Sì | Sì | No |
Prestazioni | Alta | Alta | IRT – alto, RT – medio | Media | Basso |
Lunghezza del cavo tra i nodi | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Fasi di trasmissione | No | Isocronica + asincrona | IRT – isocronica + asincrona, RT – asincrona | No | No |
Numero di nodi | 65535 | 240 | Limite della rete TCP/IP | Limite della rete TCP/IP | Limite della rete TCP/IP |
Risoluzione delle collisioni | Topologia ad anello | Sincronizzazione di clock, fasi di trasmissione | Topologia ad anello, fasi di trasmissione | Switch, topologia a stella | Switch, topologia a stella |
Sostituzione a caldo | No | Sì | Sì | Sì | A seconda dell'implementazione |
Costo dell'hardware | Basso | Basso | Alta | Media | Basso |
Le aree di applicazione dei protocolli di scambio descritti, delle bus di campo e delle reti industriali sono molto varie. Dalla chimica e dall'industria automobilistica fino alle tecnologie aerospaziali e alla produzione di elettronica. I protocolli di scambio ad alta velocità sono richiesti nei sistemi di posizionamento in tempo reale di vari dispositivi e nella robotica.
E con quali protocolli hai lavorato e dove li hai applicati? Condividi la tua esperienza nei commenti. 🙂
Fonte: habr.com
