abbiamo parlato di come funzionano i bus e i protocolli nell'automazione industriale. Questa volta ci concentreremo su soluzioni lavorative moderne: daremo uno sguardo ai protocolli utilizzati nei sistemi in tutto il mondo. Esamineremo le tecnologie delle aziende tedesche Beckhoff e Siemens, dell'austriaca B&R, della statunitense Rockwell Automation e della russa Fastwel. Inoltre, esploreremo soluzioni universali che non sono legate a un produttore specifico, come EtherCAT e CAN.
Alla fine dell'articolo troverete 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, poiché su Habr ci sono già ottimi articoli dei nostri colleghi ingegneri che si occupano dello sviluppo di sistemi di automazione industriale. Ad esempio, e .
Iniziamo definendo la terminologia: Industrial Ethernet = rete industriale, Fieldbus = bus di campo. Nell'automazione industriale russa, c'è spesso confusione sui termini riguardanti il bus di campo e la rete industriale di livello inferiore. Spesso questi termini vengono fusi in un concetto vago di "livello inferiore", che è chiamato sia bus di campo che bus di livello inferiore, anche se potrebbe non essere affatto un bus.
Perché?Questa confusione è probabilmente legata al fatto che in molti moderni controllori la connessione dei moduli di input-output è spesso realizzata tramite un pannello di interconnessione (inglese: backplane) o un bus fisico. In altre parole, vengono utilizzati alcuni contatti e connettori a bus per unire più moduli in un'unica unità. Tuttavia, tali unità possono essere collegate tra loro sia tramite rete industriale che bus di campo. Nella terminologia occidentale c'è una chiara distinzione: rete è rete, bus è bus. Il primo è designato dal termine Industrial Ethernet, il secondo dal termine Fieldbus. Nell'articolo si propone di utilizzare i termini "rete industriale" e "bus di campo" per questi concetti rispettivamente.
Standard della rete industriale EtherCAT, sviluppato da Beckhoff
Il protocollo e la rete industriale EtherCAT rappresentano uno dei sistemi di trasmissione dati più veloci attualmente disponibili nei sistemi di automazione. La rete EtherCAT è ampiamente utilizzata in sistemi di automazione distribuiti, dove i nodi interagenti sono situati a grande distanza l’uno dall’altro.
Il protocollo EtherCAT utilizza frame Ethernet standard per trasmettere i propri telegrammi, garantendo quindi compatibilità con qualsiasi dispositivo Ethernet standard e, in sostanza, la ricezione e la trasmissione dei dati possono essere organizzate su qualsiasi controllore Ethernet, a condizione che ci sia il software appropriato.
Controllore Beckhoff con set di moduli di input/output. Fonte:
La specifica del protocollo è aperta e accessibile, ma solo all'interno dell'associazione di sviluppo — EtherCAT Technology Group.
Ecco come funziona EtherCAT (uno spettacolo affascinante, come un gioco di Zuma Inca):
L'alta velocità di scambio in questo protocollo — parliamo di unità di microsecondi — è realizzata grazie al fatto che gli sviluppatori hanno rinunciato allo scambio tramite telegrammi inviati direttamente a specifici dispositivi. Invece, viene inviato in rete un unico telegramma indirizzato a tutti i dispositivi contemporaneamente; ciascun nodo subordinato di raccolta e trasmissione delle informazioni (spesso chiamato anche UCO — dispositivo di comunicazione con l'oggetto) preleva “al volo” i dati destinati a lui e inserisce nel telegramma i dati che è pronto a fornire per lo scambio. Successivamente, il telegramma viene inviato al nodo subordinato successivo, dove avviene la stessa operazione. Dopo aver attraversato tutti gli UCO, il telegramma ritorna 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, i quali emettono il segnale di controllo all'attrezzatura.
La rete EtherCAT può avere qualsiasi topologia, ma in sostanza sarà sempre un anello, grazie all'uso della modalità full-duplex e a due connettori Ethernet. Pertanto, il telegramma verrà sempre trasmesso in sequenza a ciascun dispositivo sulla rete.
Rappresentazione schematica della rete EtherCAT con più nodi. Fonte:
A proposito, la specifica EtherCAT non impone limitazioni sul livello fisico 100Base-TX, pertanto l'implementazione del protocollo è possibile anche su linee gigabit e ottiche.
Reti industriali aperte e standard PROFIBUS/NET della Siemens
Il gruppo tedesco Siemens è da tempo noto per i suoi controllori logici programmabili (PLC) utilizzati in tutto il mondo.
Lo scambio di dati tra i nodi di un sistema automatizzato controllato dall'attrezzatura Siemens avviene sia tramite il bus di campo chiamato PROFIBUS, che attraverso la rete industriale PROFINET.
Il cavo PROFIBUS utilizza un cavo a doppio filo speciale con connettori DB-9. Presso Siemens è di colore viola, ma in pratica abbiamo visto anche altri colori :). Per la comunicazione tra diversi nodi, il connettore può collegare due cavi. Include anche un interruttore per la resistenza terminale. La resistenza terminale deve essere attivata sui dispositivi finali della rete, indicando così che questo è il primo o l'ultimo dispositivo, e dopo di esso non c'è nulla, solo buio e vuoto (tutti i sistemi RS485 funzionano in questo modo). Se la resistenza viene attivata su un connettore intermedio, la sezione successiva sarà disattivata.
Cavo PROFIBUS con connettori. Fonte:
Nella rete PROFINET si utilizza un cavo simile a una coppia intrecciata, di solito con connettori RJ-45, il cavo è di colore verde. Se la topologia PROFIBUS è a bus, la topologia della rete PROFINET può essere qualsiasi cosa: un anello, una stella, un albero o una combinazione di tutti questi.
Controller Siemens con cavo PROFINET collegato. Fonte: w3.siemens.com
Esistono diversi protocolli di comunicazione per il bus PROFIBUS e per la rete PROFINET.
Per PROFIBUS:
- PROFIBUS DP — la realizzazione di questo protocollo implica la comunicazione con dispositivi remoti; per PROFINET, il protocollo corrispondente è PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — è essenzialmente lo stesso di PROFIBUS DP, ma utilizzato per le applicazioni di trasmissione dati e alimentazione nelle classificazioni antideflagranti (analogamente a PROFIBUS DP con caratteristiche fisiche diverse). Per un protocollo PROFINET antideflagrante, simile a PROFIBUS, al momento non esiste.
- 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 è suddiviso in diverse classi:
- PROFINET NRT (senza tempo reale) — utilizzato in applicazioni in cui i parametri temporali non sono critici. Utilizza il protocollo di trasmissione dati Ethernet TCP/IP, oltre a UDP/IP.
- PROFINET RT (tempo reale) — qui lo scambio di dati di input/output è realizzato tramite frame Ethernet, ma i dati diagnostici e di comunicazione vengono ancora trasmessi attraverso UDP/IP.
- PROFINET IRT (tempo reale isocrono) è un protocollo sviluppato appositamente per applicazioni di controllo del movimento e include una fase di trasmissione dati isocrona.
Per quanto riguarda l'implementazione del protocollo di tempo reale rigoroso PROFINET IRT, per le comunicazioni con dispositivi remoti si distinguono due canali di scambio: isocrono e asincrono. Il canale isocrono, con una durata di ciclo di scambio fissa nel tempo, utilizza la sincronizzazione di clock e trasmette dati critici per il tempo utilizzando telegrammi di secondo livello. La durata della trasmissione nel canale isocrono non supera 1 millisecondo.
Nel canale asincrono vengono trasmessi i cosiddetti dati in tempo reale, anch'essi indirizzati tramite indirizzo MAC. Inoltre, viene trasmessa diversa informazione diagnostica e ausiliaria già sopra TCP/IP. Né i dati in tempo reale né tantomeno altre informazioni possono, ovviamente, interrompere il ciclo isocrono.
Un set avanzato di funzioni PROFINET IO non è necessario per ogni sistema di automazione industriale. Pertanto, questo protocollo viene scalato per soddisfare le esigenze specifiche del progetto, tenendo conto delle classi di conformità o delle classi di applicazione (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 scambio nella rete PROFINET — PROFINET CBA — è utilizzato per organizzare la comunicazione industriale tra attrezzature di diversi produttori. L'unità produttiva principale nei sistemi CBA è un'entità nota come componente. Questo componente di solito rappresenta una combinazione della parte meccanica, elettrica ed elettronica di un dispositivo o di un impianto, insieme al software applicativo corrispondente. Per ogni componente viene scelto un modulo software, che contiene una descrizione completa dell'interfaccia del 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 dalla società austriaca B&R all'inizio degli anni 2000. Si tratta di un'altra implementazione di un protocollo in tempo reale su standard Ethernet. La specifica del protocollo è disponibile e distribuita liberamente.
Nella tecnologia Powerlink viene applicato un meccanismo di cosiddetto polling misto, dove tutta l'interazione tra i dispositivi è suddivisa in diverse fasi. I dati particolarmente critici vengono trasmessi nella fase isocronica di scambio, per la quale viene impostato il tempo di risposta richiesto, mentre gli altri dati verranno trasmessi, se possibile, nella fase asincrona.
Controllore B&R con insieme di moduli I/O. Fonte: br-automation.com
Inizialmente, il protocollo è stato realizzato sopra il livello fisico 100Base-TX, ma in seguito è stata sviluppata anche un'implementazione gigabit.
Nel protocollo Powerlink viene utilizzato un meccanismo di pianificazione dello scambio. In rete viene inviato un certo marcatore o messaggio di controllo, tramite il quale viene determinato 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 diversi nodi.
Nella fase isocrona, il controller interrogante invia consecutivamente una richiesta a ciascun nodo da cui è necessario ottenere dati critici.
La fase isocrona viene eseguita, come già detto, con un tempo di ciclo configurabile. Nella fase di scambio asincrono, viene utilizzato lo stack del protocollo IP, il controller richiede dati non critici a tutti i nodi, che inviano la risposta man mano che ottengono accesso alla trasmissione in rete. Il rapporto di tempo tra le fasi isocrona e asincrona può essere impostato manualmente.
Protocollo Ethernet/IP di Rockwell Automation
Il protocollo EtherNet/IP è stato sviluppato con il contributo attivo dell'azienda americana Rockwell Automation nel 2000. Utilizza lo stack TCP e UDP IP ed è stato esteso per l'applicazione nell'automazione industriale. La seconda parte del nome, contrariamente a quanto comunemente si crede, non significa Internet Protocol, ma Industrial Protocol. UDP IP utilizza lo stack di comunicazione del protocollo CIP (Common Interface Protocol), che viene anche utilizzato nelle reti ControlNet/DeviceNet e viene implementato sopra TCP/IP.
La specifica EtherNet/IP è pubblica e distribuita gratuitamente. La topologia della rete EtherNet/IP può essere arbitraria e includere anello, stella, albero o bus.
Oltre alle funzioni standard dei protocolli HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementa la trasmissione di dati critici in termini di tempi di consegna tra il controllore interrogante e i dispositivi di input/output. La trasmissione di dati non critici nel tempo è garantita dai pacchetti TCP, mentre la consegna critica e periodica dei dati 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 diversi nodi e connessione a dispositivi Modbus. Fonte:
Per semplificare la configurazione della rete EtherNet/IP, la maggior parte dei dispositivi di automazione standard è fornita con file di configurazione predefiniti.
Implementazione del protocollo FBUS presso Fastwel
Abbiamo a lungo discusso se includere l'azienda russa Fastwel, con la sua implementazione nazionale del protocollo industriale FBUS, in questa lista, ma alla fine abbiamo deciso di scrivere un paio di paragrafi per un miglior comprensione della realtà dell'import substitution.
Esistono due implementazioni fisiche di FBUS. Una di esse è un bus su cui il protocollo FBUS funziona sopra lo standard RS485. Inoltre, c'è un'implementazione di FBUS in una rete industriale Ethernet.
È difficile definire FBUS un protocollo ad alta velocità, poiché il tempo di risposta dipende fortemente dal numero di moduli di input/output sul bus e dai parametri di scambio, di solito varia tra 0,5 e 10 millisecondi. Un nodo subordinato FBUS può contenere solo 64 moduli di input/output. Per il bus di campo, la lunghezza del cavo non può superare 1 metro, quindi non si parla di sistemi distribuiti. O meglio, si parla, ma solo utilizzando la rete industriale FBUS sopra TCP/IP, il che significa un notevole aumento del tempo di interrogazione. Per collegare i moduli possono essere utilizzati degli estensori di bus, il che consente di posizionare comodamente i moduli nel quadro di automazione.
Il controllore Fastwel con i moduli di input/output connessi. Fonte:
Totale: come tutto questo viene utilizzato nella pratica nei sistemi di controllo automatizzati
È evidente che la varietà di protocolli di comunicazione industriale moderni è molto più ampia di quanto descritto in questo articolo. Alcuni sono legati a specifici produttori, mentre altri sono, al contrario, universali. Nello sviluppo di sistemi di controllo automatizzati (ACS), l'ingegnere sceglie i protocolli ottimali, tenendo conto delle specifiche esigenze e dei vincoli (tecnici e di budget).
Per quanto riguarda la diffusione di un determinato protocollo di comunicazione, si può considerare il diagramma della compagnia HMS Networks AB, che illustra le quote di mercato delle varie 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 i dati riassuntivi sui protocolli di comunicazione descritti. Alcuni parametri, ad esempio la performance, sono espressi in termini astratti: alta/bassa. Gli equivalenti numerici possono essere trovati in articoli sull’analisi delle performance.
| 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 di collegamento (frame Ethernet) | Livello di collegamento (frame Ethernet) | Livello di collegamento (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 | Alto | Alto | IRT - alto, RT - medio | Medio | Basso |
Lunghezza del cavo tra i nodi | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Fasi di trasmissione | No | Isocronica + asincronica | IRT - isocronica + asincronica, RT - asincronica | No | No |
Numero di nodi | 65535 | 240 | Limiti della rete TCP/IP | Limiti della rete TCP/IP | Limiti della rete TCP/IP |
Risoluzione delle collisioni | Topologia ad anello | Sincronizzazione dell'orologio, 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'attrezzatura | Basso | Basso | Alto | Medio | Basso |
Le aree di applicazione dei protocolli di comunicazione descritti, dei bus di campo e delle reti industriali sono molto varie. Vanno dall'industria chimica e automobilistica, fino alle tecnologie aerospaziali e alla produzione di elettronica. I protocolli di comunicazione ad alta velocità sono richiesti nei sistemi di posizionamento in tempo reale e nella robotica.
E quali protocolli hai utilizzato e dove li hai applicati? Condividi la tua esperienza nei commenti. 🙂
Fonte: habr.com
