סקירה של פרוטוקולים מודרניים במערכות אוטומציה תעשייתיות

בפרסום הקודם דיברנו על איך אוטובוסים ופרוטוקולים עובדים באוטומציה תעשייתית. הפעם נתמקד בפתרונות עבודה מודרניים: נבחן באילו פרוטוקולים משתמשים במערכות ברחבי העולם. בואו ניקח בחשבון את הטכנולוגיות של החברות הגרמניות בקהוף וסימנס, B&R האוסטרית, Rockwell Automation האמריקאית ופסטוול הרוסית. נלמד גם פתרונות אוניברסליים שאינם קשורים ליצרן ספציפי, כמו EtherCAT ו-CAN. 

בסוף המאמר תהיה טבלת השוואה עם המאפיינים של פרוטוקולי EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP ו-ModbusTCP.

לא כללנו פרוטוקולים של PRP, HSR, OPC UA ואחרים בסקירה, מכיוון יש כבר מאמרים מצוינים עליהם ב-Habré מאת חברינו המהנדסים שמפתחים מערכות אוטומציה תעשייתית. לדוגמה, "פרוטוקולי יתירות "חלקים" של PRP ו-HSR" и "שערים של פרוטוקולי חליפין תעשייתיים בלינוקס. הרכיב את זה בעצמך".

ראשית, הבה נגדיר את הטרמינולוגיה: Ethernet תעשייתי = רשת תעשייתית, Fieldbus = אפיק שדה. באוטומציה תעשייתית רוסית, יש בלבול במונחים הקשורים לאפיק השדה ולרשת התעשייתית ברמה נמוכה יותר. לעתים קרובות מונחים אלה משולבים למושג יחיד ומעורפל הנקרא "רמה נמוכה יותר", אשר מכונה גם אוטובוס שטח וגם אוטובוס תת-רמה, אם כי ייתכן שזה לא אוטובוס בכלל.

למה כל כך?בלבול זה נובע ככל הנראה מהעובדה שבבקרים מודרניים רבים, החיבור של מודולי I/O מיושם לעתים קרובות באמצעות מטוס אחורי או אפיק פיזי. כלומר, מגעים ומחברים מסוימים של אוטובוס משמשים לשילוב מספר מודולים ליחידה אחת. אבל צמתים כאלה, בתורם, יכולים להיות מחוברים זה לזה על ידי רשת תעשייתית ואוטובוס שדה. בטרמינולוגיה המערבית יש חלוקה ברורה: רשת היא רשת, אוטובוס הוא אוטובוס. הראשון מסומן על ידי המונח Industrial Ethernet, השני על ידי Fieldbus. המאמר מציע להשתמש במונח "רשת תעשייתית" ובמונח "אוטובוס שטח" עבור מושגים אלה, בהתאמה.

תקן רשת תעשייתי EtherCAT, שפותח על ידי בקהוף

פרוטוקול EtherCAT והרשת התעשייתית היא אולי אחת השיטות המהירות ביותר להעברת נתונים במערכות אוטומציה כיום. רשת EtherCAT משמשת בהצלחה במערכות אוטומציה מבוזרות, שבהן צמתים המקיימים אינטראקציה מופרדים למרחקים ארוכים.

פרוטוקול EtherCAT משתמש במסגרות Ethernet סטנדרטיות כדי לשדר את המברקים שלו, כך שהוא נשאר תואם לכל ציוד Ethernet סטנדרטי ולמעשה, קליטה ושידור נתונים יכולים להיות מאורגנים בכל בקר Ethernet, בתנאי שהתוכנה המתאימה זמינה.

בקר בקהוף עם סט מודולי קלט/פלט. מָקוֹר: www.beckhoff.de

מפרט הפרוטוקול פתוח וזמין, אך רק במסגרת איגוד הפיתוח - EtherCAT Technology Group.

הנה איך EtherCAT עובד (המחזה מהפנט, כמו המשחק Zuma Inca):

מהירות ההחלפה הגבוהה בפרוטוקול זה - ואפשר לדבר על יחידות של מיקרו-שניות - מתממשת בשל העובדה שהמפתחים סירבו להחליף באמצעות מברקים שנשלחו ישירות למכשיר ספציפי. במקום זאת, מברק אחד נשלח לרשת EtherCAT, הממוען לכל המכשירים בו-זמנית, כל אחד מצמתי העבדים לאיסוף והעברת מידע (לעיתים קרובות הם נקראים גם OSO - התקן תקשורת אובייקטים) לוקח ממנו "בתנועה" הנתונים שיועדו לו ומכניסים למברק את הנתונים שהוא מוכן לספק להחלפה. לאחר מכן המברק נשלח לצומת העבד הבא, שם מתרחשת אותה פעולה. לאחר שעבר את כל מכשירי הבקרה, המברק מוחזר לבקר הראשי, אשר, בהתבסס על הנתונים המתקבלים ממכשירי העבדים, מיישם את לוגיקת הבקרה, שוב אינטראקציה דרך המברק עם צמתי העבדים, המוציאים אות בקרה ל הציוד.

לרשת EtherCAT יכולה להיות כל טופולוגיה, אבל במהותה היא תמיד תהיה טבעת - עקב השימוש במצב דופלקס מלא ושני מחברי Ethernet. באופן זה, המברק תמיד ישודר ברצף לכל מכשיר באוטובוס.

ייצוג סכמטי של רשת Ethercat עם מספר צמתים. מָקוֹר: realpars.com

אגב, מפרט EtherCAT אינו מכיל הגבלות על השכבה הפיזית 100Base-TX, כך שהטמעה של הפרוטוקול אפשרית על בסיס גיגה-ביט וקווים אופטיים.

רשתות תעשייתיות פתוחות ותקני PROFIBUS/NET מבית סימנס

הקונצרן הגרמני סימנס ידוע זה מכבר בזכות בקרי הלוגיקה הניתנים לתכנות (PLC), הנמצאים בשימוש בכל העולם.

החלפת נתונים בין צמתים של מערכת אוטומטית הנשלטת על ידי ציוד סימנס מתבצעת הן באמצעות אפיק שדה בשם PROFIBUS והן ברשת התעשייתית PROFINET.

האוטובוס PROFIBUS משתמש בכבל דו-ליבי מיוחד עם מחברי DB-9. לסימנס יש את זה בסגול, אבל ראינו אחרים בפועל :). כדי לחבר מספר צמתים, מחבר יכול לחבר שני כבלים. יש לו גם מתג עבור הנגד המסוף. יש להפעיל את הנגד המסוף במכשירי הקצה של הרשת, ובכך להצביע על כך שזהו המכשיר הראשון או האחרון, ואחריו אין כלום, רק חושך וריקנות (כל ה-rs485s עובדים כך). אם תפעיל נגד במחבר הביניים, הקטע שלאחריו יכבה.

כבל PROFIBUS עם מחברים מחברים. מָקוֹר: VIPA ControlsAmerica

רשת PROFINET משתמשת בכבל זוג מעוות אנלוגי, בדרך כלל עם מחברי RJ-45, הכבל בצבע ירוק. אם הטופולוגיה של PROFIBUS היא אוטובוס, אז הטופולוגיה של רשת PROFINET יכולה להיות כל דבר: טבעת, כוכב, עץ, או הכל ביחד.

בקר סימנס עם כבל PROFINET מחובר. מקור: w3.siemens.com

ישנם מספר פרוטוקולי תקשורת באפיק PROFIBUS וברשת PROFINET.

עבור PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - היישום של פרוטוקול זה כרוך בתקשורת עם התקני עבד מרוחקים; במקרה של PROFINET, פרוטוקול זה מתאים לפרוטוקול PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA זהה למעשה ל-PROFIBUS DP, משמש רק עבור גרסאות חסינות פיצוץ של שידור נתונים ואספקת חשמל (אנלוגי ל-PROFIBUS DP עם מאפיינים פיזיים שונים). עבור PROFINET, עדיין לא קיים פרוטוקול חסין פיצוץ הדומה ל-PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS - מיועד להחלפת נתונים עם מערכות מיצרנים אחרים שאינם יכולים להשתמש ב-PROFIBUS DP. האנלוגי PROFIBUS FMS ברשת PROFINET הוא פרוטוקול PROFINET CBA.

עבור PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

פרוטוקול PROFINET IO מחולק למספר מחלקות:

• PROFINET NRT (לא בזמן אמת) - משמש ביישומים שבהם פרמטרי תזמון אינם קריטיים. הוא משתמש בפרוטוקול העברת נתונים Ethernet TCP/IP וכן UDP/IP.
• PROFINET RT (זמן אמת) - כאן מיושמת חילופי נתוני I/O באמצעות מסגרות Ethernet, אך נתוני אבחון ותקשורת עדיין מועברים באמצעות UDP/IP. 
• PROFINET IRT (זמן אמת איזוכרוני) - פרוטוקול זה פותח במיוחד עבור יישומי בקרת תנועה וכולל שלב העברת נתונים איזוכרוני.

באשר להטמעת פרוטוקול PROFINET IRT קשיח בזמן אמת, עבור תקשורת עם מכשירים מרוחקים הוא מבדיל בין שני ערוצי חליפין: איזוכרוני ואסינכרוני. ערוץ איזוכרוני עם אורך מחזור החלפה קבוע משתמש בסנכרון שעון ומשדר נתונים קריטיים לזמן; מברקים ברמה השנייה משמשים לשידור. משך השידור בערוץ איזוכרוני אינו עולה על 1 אלפית שנייה.

הערוץ האסינכרוני משדר מה שנקרא נתונים בזמן אמת, אשר מטופלים גם באמצעות כתובת MAC. בנוסף, מידע אבחון ומידע עזר שונים מועבר באמצעות TCP/IP. גם נתונים בזמן אמת, ופחות מידע אחר, כמובן, לא יכולים להפריע למחזור האיזוכרוני.

הסט המורחב של פונקציות PROFINET IO אינו נחוץ עבור כל מערכת אוטומציה תעשייתית, ולכן פרוטוקול זה מותאם לפרויקט ספציפי, תוך התחשבות במחלקות תאימות או מחלקות התאמה: CC-A, CC-B, CC-CC. שיעורי תאימות מאפשרים לך לבחור התקני שטח ורכיבי עמוד שדרה עם הפונקציונליות המינימלית הנדרשת. 

מקור: שיעור באוניברסיטת PROFINET

פרוטוקול החליפין השני ברשת PROFINET - PROFINET CBA - משמש לארגון תקשורת תעשייתית בין ציוד מיצרנים שונים. יחידת הייצור העיקרית במערכות IAS היא ישות מסוימת הנקראת רכיב. רכיב זה הוא בדרך כלל אוסף של חלקים מכאניים, חשמליים ואלקטרוניים של מכשיר או התקנה, כמו גם תוכנות יישום קשורות. לכל רכיב נבחר מודול תוכנה המכיל תיאור מלא של הממשק של רכיב זה בהתאם לדרישות תקן PROFINET. לאחר מכן מודולי תוכנה אלה משמשים להחלפת נתונים עם מכשירים. 

פרוטוקול B&R Ethernet POWERLINK

פרוטוקול Powerlink פותח על ידי חברת B&R האוסטרית בתחילת שנות ה-2000. זהו יישום נוסף של פרוטוקול בזמן אמת על גבי תקן Ethernet. מפרט הפרוטוקול זמין ומופץ באופן חופשי. 

טכנולוגיית Powerlink משתמשת במנגנון סקר מעורב, כאשר כל האינטראקציה בין מכשירים מחולקת למספר שלבים. נתונים קריטיים במיוחד מועברים בשלב ההחלפה האיזוכרונית, עבורו מוגדר זמן התגובה הנדרש; שאר הנתונים ישודרו, במידת האפשר, בשלב האסינכרוני.

בקר B&R עם סט מודולי I/O. מקור: br-automation.com

הפרוטוקול יושם במקור על גבי השכבה הפיזית 100Base-TX, אך מאוחר יותר פותח מימוש גיגה-ביט.

פרוטוקול Powerlink משתמש במנגנון תזמון תקשורת. לרשת נשלחת סמן או הודעת בקרה מסוימת, בעזרתה נקבע למי מהמכשירים יש כיום הרשאה להחליף נתונים. רק למכשיר אחד יכולה להיות גישה למרכזיה בכל פעם.

ייצוג סכמטי של רשת Ethernet POWERLINK עם מספר צמתים.

בשלב האיזוכרוני, בקר הסקרים שולח בקשה ברצף לכל צומת שממנו הוא צריך לקבל נתונים קריטיים. 

השלב האיזוכרוני מתבצע, כפי שכבר הוזכר, עם זמן מחזור מתכוונן. בשלב האסינכרוני של ההחלפה, נעשה שימוש בערימת פרוטוקול ה-IP, הבקר מבקש נתונים לא קריטיים מכל הצמתים, אשר שולחים תגובה כשהם מקבלים גישה לשידור לרשת. ניתן לכוונן באופן ידני את יחס הזמן בין השלב האיזוכרוני והאסינכרוני.

Rockwell Automation Ethernet/IP פרוטוקול

פרוטוקול EtherNet/IP פותח בהשתתפות פעילה של החברה האמריקאית Rockwell Automation בשנת 2000. הוא משתמש בערימת ה-TCP וה-UDP IP, ומרחיב אותו עבור יישומי אוטומציה תעשייתית. החלק השני של השם, בניגוד לאמונה הרווחת, אין פירושו פרוטוקול אינטרנט, אלא פרוטוקול תעשייתי. UDP IP משתמש בערימת התקשורת CIP (Common Interface Protocol), המשמשת גם ברשתות ControlNet/DeviceNet ומיושמת על גבי TCP/IP.

מפרט EtherNet/IP זמין לציבור וזמין בחינם. טופולוגיית רשת Ethernet/IP יכולה להיות שרירותית ולכלול טבעת, כוכב, עץ או אוטובוס.

בנוסף לפונקציות הסטנדרטיות של פרוטוקולי HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, היא מיישמת העברת נתונים קריטיים לזמן בין בקר הסקרים והתקני I/O. השידור של נתונים לא קריטיים לזמן מסופק על ידי מנות TCP, ומסירת זמן קריטית של נתוני בקרה מחזוריים מתבצעת באמצעות פרוטוקול UDP. 

כדי לסנכרן זמן במערכות מבוזרות, EtherNet/IP משתמש בפרוטוקול CIPsync, שהוא הרחבה של פרוטוקול התקשורת CIP.

ייצוג סכמטי של רשת Ethernet/IP עם מספר צמתים וחיבור של התקני Modbus. מָקוֹר: www.icpdas.com.tw

כדי לפשט את הגדרת רשת EtherNet/IP, רוב התקני האוטומציה הסטנדרטיים מגיעים עם קובצי תצורה מוגדרים מראש.

יישום פרוטוקול FBUS ב-Fastwel

חשבנו זמן רב אם לכלול את החברה הרוסית Fastwel ברשימה זו עם היישום המקומי שלה של הפרוטוקול התעשייתי FBUS, אבל אז החלטנו לכתוב כמה פסקאות כדי להבין טוב יותר את המציאות של החלפת ייבוא.

ישנם שני יישומים פיזיים של FBUS. אחד מהם הוא אוטובוס בו פועל פרוטוקול FBUS על גבי תקן RS485. בנוסף, יש הטמעה של FBUS ברשת Ethernet תעשייתית.

FBUS בקושי יכול להיקרא פרוטוקול מהיר; זמן התגובה תלוי מאוד במספר מודולי הקלט/פלט באפיק ובפרמטרי ההחלפה; הוא בדרך כלל נע בין 0,5 ל-10 מילישניות. צומת עבד FBUS אחד יכול להכיל רק 64 מודולי קלט/פלט. עבור אוטובוס שדה, אורך הכבל לא יכול לעלות על מטר אחד, אז אנחנו לא מדברים על מערכות מבוזרות. או ליתר דיוק, זה כן, אבל רק כשמשתמשים ברשת FBUS תעשייתית על TCP/IP, מה שאומר עלייה של זמן הסקרים מספר פעמים. ניתן להשתמש בכבלים מאריכים של אוטובוס לחיבור מודולים, דבר המאפשר מיקום נוח של מודולים בארון האוטומציה.

בקר Fastwel עם מודולי I/O מחוברים. מָקוֹר: הנדסת בקרה רוסיה

סך הכל: איך כל זה משמש בפועל במערכות בקרת תהליכים אוטומטיות

באופן טבעי, מגוון הסוגים של פרוטוקולי העברת נתונים תעשייתיים מודרניים גדול בהרבה ממה שתיארנו במאמר זה. חלקם קשורים ליצרן ספציפי, חלקם, להיפך, אוניברסליים. בעת פיתוח מערכות בקרת תהליכים אוטומטיות (APCS), המהנדס בוחר את הפרוטוקולים האופטימליים, תוך התחשבות במשימות ומגבלות ספציפיות (טכניות ותקציביות).

אם נדבר על השכיחות של פרוטוקול חליפין מסוים, נוכל לספק תרשים של החברה HMS Networks AB, הממחיש את נתחי השוק של טכנולוגיות בורסה שונות ברשתות תעשייתיות.

מקור: HMS Networks AB

כפי שניתן לראות בתרשים, PRONET ו-PROFIBUS מבית סימנס תופסים את העמדות המובילות.

מעניין, לפני 6 שנים 60% מהשוק היה תפוס על ידי פרוטוקולי PROFINET ו-Ethernet/IP.

הטבלה שלהלן מכילה נתוני סיכום על פרוטוקולי ההחלפה המתוארים. כמה פרמטרים, למשל ביצועים, מתבטאים במונחים מופשטים: גבוה / נמוך. ניתן למצוא מקבילות מספריות במאמרי ניתוח ביצועים. 

	EtherCAT	POWERLINK	פרופינט	Ethernet/IP	ModbusTCP
רובד פיזי	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
רמת נתונים	ערוץ (מסגרות Ethernet)	ערוץ (מסגרות Ethernet)	ערוץ (מסגרות Ethernet), רשת/תחבורה (TCP/IP)	רשת/תחבורה (TCP/IP)	רשת/תחבורה (TCP/IP)
תמיכה בזמן אמת	כן	כן	כן	כן	לא
פרודוקטיביות	גבוה	גבוה	IRT - גבוה, RT - בינוני	הממוצע	נמוך
אורך כבל בין צמתים	100m	100 מ'/2 ק"מ	100m	100m	100m
שלבי העברה	לא	איזוכרוני + אסינכרוני	IRT – איזוכרוני + אסינכרוני, RT – אסינכרוני	לא	לא
מספר צמתים	65535	240	הגבלת רשת TCP/IP	הגבלת רשת TCP/IP	הגבלת רשת TCP/IP
רזולוציית התנגשות	טופולוגיית הטבעת	סנכרון שעון, שלבי שידור	טופולוגיית הטבעת, שלבי שידור	מתגים, טופולוגיית כוכבים	מתגים, טופולוגיית כוכבים
החלפה חמה	לא	כן	כן	כן	תלוי ביישום
עלות ציוד	נמוך	נמוך	גבוה	הממוצע	נמוך

תחומי היישום של פרוטוקולי החליפין המתוארים, אוטובוסי השדה והרשתות התעשייתיות מגוונים מאוד. מתעשיות הכימיות והרכב ועד לטכנולוגיית תעופה וחלל וייצור אלקטרוניקה. פרוטוקולי חליפין מהירים מבוקשים במערכות מיקום בזמן אמת למכשירים שונים וברובוטיקה.

עם אילו פרוטוקולים עבדת והיכן יישמת אותם? שתף את החוויה שלך בתגובות. 🙂

מקור: www.habr.com