産業オートメーション システムにおける最新のプロトコルのレビュー

前回の出版物では 産業オートメーションにおけるバスとプロトコルの仕組みについて話しました。今回は、最新の実用的なソリューションに焦点を当て、世界中のシステムでどのようなプロトコルが使用されているかを見ていきます。ドイツのベッコフとシーメンス、オーストリアのB&R、アメリカのロックウェル・オートメーション、ロシアのファストウェルのテクノロジーを考えてみましょう。 EtherCATやCANなど、特定のメーカーにとらわれないユニバーサルなソリューションについても検討していきます。 

この記事の最後には、EtherCAT、POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP、および ModbusTCP プロトコルの特性を示す比較表が記載されています。

PRP、HSR、OPC UA、その他のプロトコルはレビューに含めませんでした。 Habré には、産業オートメーション システムを開発しているエンジニア仲間による優れた記事がすでに掲載されています。例えば、 「PRP および HSR の「シームレスな」冗長プロトコル」 и 「Linux 上の産業交換プロトコルのゲートウェイ。自分で組み立ててください」.

まず、用語を定義しましょう。産業用イーサネット = 産業用ネットワーク、フィールドバス = フィールド バスです。ロシアの産業オートメーションでは、フィールドバスと下位レベルの産業ネットワークに関連する用語に混乱があります。多くの場合、これらの用語は「下位レベル」と呼ばれる単一の曖昧な概念に結合され、フィールドバスとサブレベル バスの両方として参照されますが、バスではない場合もあります。

これはなぜですか？この混乱は、多くの最新のコントローラーでは I/O モジュールの接続がバックプレーンまたは物理バスを使用して実装されていることが原因である可能性が最も高くなります。つまり、特定のバス接点とコネクタを使用して、複数のモジュールを 1 つのユニットに結合します。しかし、そのようなノードは、産業用ネットワークとフィールド バスの両方によって相互接続できます。西洋の用語では、ネットワークはネットワーク、バスはバスというように明確に区別されます。 1 つ目は産業用イーサネットという用語で指定され、2 つ目はフィールドバスと呼ばれます。この記事では、これらの概念に対してそれぞれ「産業ネットワーク」という用語と「フィールドバス」という用語を使用することを提案しています。

Beckhoff社が開発した産業用ネットワーク標準EtherCAT

EtherCAT プロトコルと産業用ネットワークは、おそらく今日のオートメーション システムにおける最も高速なデータ送信方法の 1 つです。 EtherCAT ネットワークは、相互作用するノードが長距離にわたって分離される分散オートメーション システムでうまく使用されます。

EtherCAT プロトコルは、標準イーサネット フレームを使用してテレグラムを送信するため、あらゆる標準イーサネット機器との互換性を維持しており、実際、適切なソフトウェアが利用可能であれば、データの受信と送信は任意のイーサネット コントローラ上で実行できます。

I/O モジュールのセットを備えたベッコフ コントローラー。ソース： www.ベッコフ.de

プロトコル仕様はオープンで利用可能ですが、開発団体である EtherCAT Technology Group の枠組み内でのみ利用可能です。

EtherCAT の仕組みは次のとおりです (ゲームの Zuma Inca のように、その光景は魅惑的です)。

このプロトコルの高速な交換速度 (マイクロ秒単位について話すことができます) は、開発者が特定のデバイスに直接送信される電文を使用した交換を拒否したという事実によって実現されています。代わりに、1 つの電文が EtherCAT ネットワークに送信され、すべてのデバイスに同時に送信され、情報を収集および送信するための各スレーブ ノード (OSO (オブジェクト通信デバイス) とも呼ばれます) が「オンザフライ」で情報を取得します。意図されたデータを削除し、交換のために提供する準備ができているデータを電報に挿入します。次に、テレグラムは次のスレーブ ノードに送信され、そこで同じ操作が行われます。すべての制御デバイスを通過した後、テレグラムはメイン コントローラーに返され、メイン コントローラーはスレーブ デバイスから受信したデータに基づいて制御ロジックを実装し、再びテレグラムを通じてスレーブ ノードと対話し、スレーブ ノードは制御信号を発行します。設備。

EtherCAT ネットワークは任意のトポロジを持つことができますが、全二重モードと 2 つの Ethernet コネクタを使用しているため、本質的には常にリングになります。このようにして、テレグラムは常にバス上の各デバイスに順番に送信されます。

複数のノードを持つ Ethercat ネットワークの概略図。ソース： リアルパース.com

ちなみに、EtherCATの仕様には100Base-TXの物理層に関する制限はなく、ギガビット回線や光回線でも実装が可能です。

シーメンスのオープン産業ネットワークと PROFIBUS/NET 標準

ドイツのシーメンス社は、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) で長年知られており、世界中で使用されています。

シーメンスの機器によって制御される自動化システムのノード間のデータ交換は、PROFIBUS と呼ばれるフィールド バスと PROFINET 産業用ネットワークの両方を介して実行されます。

PROFIBUS バスは、DB-9 コネクタを備えた特殊な 485 芯ケーブルを使用します。 Siemens は紫色を使用していますが、他の製品が実際に使用されているのを見てきました :)。複数のノードを接続するには、コネクタで XNUMX 本のケーブルを接続できます。終端抵抗のスイッチも付いています。終端抵抗はネットワークのエンドデバイスでオンにする必要があります。これは、これが最初または最後のデバイスであることを示し、その後は何もなく、暗闇と空だけになります（すべての RSXNUMX はこのように動作します）。中間コネクタの抵抗をオンにすると、それに続くセクションがオフになります。

接続コネクタ付きの PROFIBUS ケーブル。ソース： VIPA コントロールアメリカ

PROFINET ネットワークはアナログ ツイスト ペア ケーブルを使用します。通常は RJ-45 コネクタが付いており、ケーブルの色は緑色です。 PROFIBUS のトポロジがバスの場合、PROFINET ネットワークのトポロジは、リング、スター、ツリー、またはそれらすべての組み合わせなど、あらゆるものにすることができます。

PROFINET ケーブルが接続された Siemens コントローラ。出典: w3.siemens.com

PROFIBUS バスおよび PROFINET ネットワークには、いくつかの通信プロトコルがあります。

プロフィバスの場合:

1. PROFIBUS DP - このプロトコルの実装にはリモート スレーブ デバイスとの通信が含まれます。PROFINET の場合、このプロトコルは PROFINET IO プロトコルに対応します。
2. PROFIBUS PA は本質的に PROFIBUS DP と同じですが、データ伝送および電源の防爆バージョンにのみ使用されます (物理的特性が異なる PROFIBUS DP に類似)。 PROFINET には、PROFIBUS に似た防爆プロトコルはまだ存在しません。
3. PROFIBUS FMS - PROFIBUS DP を使用できない他のメーカーのシステムとのデータ交換用に設計されています。 PROFINET ネットワークにおける PROFIBUS FMS の類似物は、PROFINET CBA プロトコルです。

PROFINET の場合:

1. プロフィネットIO;
2. プロフィネット CBA。

PROFINET IO プロトコルはいくつかのクラスに分かれています。

• PROFINET NRT (非リアルタイム) - タイミング パラメータが重要ではないアプリケーションで使用されます。 UDP/IP だけでなく、イーサネット TCP/IP データ転送プロトコルも使用します。
• PROFINET RT (リアルタイム) - ここでは I/O データ交換はイーサネット フレームを使用して実装されていますが、診断データと通信データは依然として UDP/IP 経由で転送されます。 
• PROFINET IRT (アイソクロナス リアルタイム) - このプロトコルはモーション コントロール アプリケーション専用に開発され、アイソクロナス データ転送フェーズが含まれています。

PROFINET IRT ハード リアルタイム プロトコルの実装に関しては、リモート デバイスとの通信のために、等時性と非同期の 1 つの交換チャネルが区別されます。交換サイクル長が固定されたアイソクロナス チャネルはクロック同期を使用し、タイム クリティカルなデータを送信します。送信には第 XNUMX レベルのテレグラムが使用されます。アイソクロナス チャネルの送信期間は XNUMX ミリ秒を超えません。

非同期チャネルは、いわゆるリアルタイム データを送信します。これも MAC アドレスを介してアドレス指定されます。さらに、さまざまな診断情報や補助情報が TCP/IP 経由で送信されます。もちろん、リアルタイム データも、ましてや他の情報もアイソクロナス サイクルを中断することはできません。

PROFINET IO 機能の拡張セットはすべての産業オートメーション システムに必要なわけではないため、このプロトコルは、コンプライアンス クラスまたは適合クラス CC-A、CC-B、CC-CC を考慮して、特定のプロジェクトに合わせて調整されます。コンプライアンス クラスを使用すると、必要最小限の機能を備えたフィールド デバイスとバックボーン コンポーネントを選択できます。 

出所： PROFINET大学の授業

PROFINET ネットワークの 2 番目の交換プロトコルである PROFINET CBA - は、異なるメーカーの機器間の産業用通信を組織するために使用されます。 IAS システムの主な生成単位は、コンポーネントと呼ばれる特定のエンティティです。このコンポーネントは通常、デバイスまたは設備の機械、電気、電子部品、および関連するアプリケーション ソフトウェアの集合です。各コンポーネントに対して、PROFINET 標準の要件に従って、このコンポーネントのインターフェイスの完全な説明を含むソフトウェア モジュールが選択されます。その後、これらのソフトウェア モジュールを使用してデバイスとデータを交換します。 

B&R イーサネット POWERLINK プロトコル

Powerlink プロトコルは、2000 年代初頭にオーストリアの企業 B&R によって開発されました。これは、イーサネット標準に基づくリアルタイム プロトコルの別の実装です。プロトコル仕様は入手可能であり、自由に配布されます。 

Powerlinkテクノロジーは、デバイス間のすべての対話がいくつかのフェーズに分割される、いわゆる混合ポーリングメカニズムを使用します。特に重要なデータは、必要な応答時間が設定されている等時性交換フェーズで送信され、残りのデータは可能な限り非同期フェーズで送信されます。

I/O モジュールのセットを備えた B&R コントローラー。出典: br-automation.com

このプロトコルは当初 100Base-TX 物理層の上に実装されましたが、後にギガビット実装が開発されました。

Powerlink プロトコルは通信スケジューリング メカニズムを使用します。特定のマーカーまたは制御メッセージがネットワークに送信され、これを利用して、どのデバイスが現在データ交換の許可を持っているかが判断されます。一度に 1 台のデバイスのみが交換にアクセスできます。

複数のノードを持つイーサネット POWERLINK ネットワークの概略図。

アイソクロナスフェーズでは、ポーリングコントローラーは重要なデータを受信する必要がある各ノードにリクエストを順番に送信します。 

すでに述べたように、アイソクロナス フェーズは調整可能なサイクル タイムで実行されます。交換の非同期フェーズでは、IP プロトコル スタックが使用され、コントローラーはすべてのノードに重要ではないデータを要求します。ノードは、ネットワークに送信するためのアクセスを取得すると応答を送信します。等時性フェーズと非同期フェーズの間の時間比率は手動で調整できます。

ロックウェル・オートメーションのイーサネット/IP プロトコル

EtherNet/IP プロトコルは、2000 年にアメリカの企業 Rockwell Automation の積極的な参加により開発されました。 TCP および UDP IP スタックを使用し、それを産業オートメーション アプリケーション向けに拡張します。この名前の XNUMX 番目の部分は、一般に信じられていることに反して、インターネット プロトコルではなく、産業プロトコルを意味します。 UDP IP は、ControlNet/DeviceNet ネットワークでも使用され、TCP/IP 上に実装される CIP (Common Interface Protocol) 通信スタックを使用します。

EtherNet/IP 仕様は公開されており、無料で入手できます。イーサネット/IP ネットワーク トポロジは任意であり、リング、スター、ツリー、またはバスが含まれます。

HTTP、FTP、SMTP、EtherNet/IP プロトコルの標準機能に加えて、ポーリング コントローラーと I/O デバイス間のタイム クリティカルなデータの転送を実装します。タイムクリティカルでないデータの送信は TCP パケットによって提供され、タイムクリティカルな周期制御データの配信は UDP プロトコル経由で実行されます。 

分散システムで時刻を同期するために、EtherNet/IP は CIP 通信プロトコルの拡張である CIPsync プロトコルを使用します。

複数のノードと Modbus デバイスの接続を備えた Ethernet/IP ネットワークの概略図。ソース： www.icpdas.com.tw

EtherNet/IP ネットワークのセットアップを簡素化するために、ほとんどの標準オートメーション デバイスには事前定義された構成ファイルが付属しています。

Fastwel での FBUS プロトコルの実装

私たちは、FBUS 産業プロトコルを国内で導入しているロシア企業 Fastwel をこのリストに含めるかどうかについて長い間考えましたが、輸入代替の現実をより深く理解するためにいくつかの段落を書くことにしました。

FBUS には 485 つの物理実装があります。そのうちの XNUMX つは、RSXNUMX 標準上で FBUS プロトコルが実行されるバスです。さらに、産業用イーサネット ネットワークには FBUS が実装されています。

FBUS は高速プロトコルとは言えません。応答時間はバス上の I/O モジュールの数と交換パラメータに大きく依存し、通常は 0,5 ～ 10 ミリ秒の範囲です。 64 つの FBUS スレーブ ノードには 1 個の I/O モジュールのみを含めることができます。フィールドバスの場合、ケーブルの長さは XNUMX メートルを超えることはできないため、分散システムについては話していません。というか、実際にはそうなりますが、これは TCP/IP 経由で産業用 FBUS ネットワークを使用する場合に限られます。つまり、ポーリング時間が数倍に増加することになります。バス延長コードを使用してモジュールを接続できるため、自動化キャビネット内にモジュールを簡単に配置できます。

I/O モジュールが接続された Fastwel コントローラ。ソース： 制御工学ロシア

合計: これらすべてが自動プロセス制御システムで実際にどのように使用されるか

当然のことながら、最新の産業用データ転送プロトコルの種類は、この記事で説明したよりもはるかに多岐にわたります。特定のメーカーに関連付けられているものもあれば、逆に普遍的なものもあります。自動プロセス制御システム (APCS) を開発する場合、エンジニアは特定のタスクと制限 (技術的および予算的) を考慮して最適なプロトコルを選択します。

特定の交換プロトコルの普及について話す場合、会社の図を提供できます。 HMS ネットワークス ABこれは、産業ネットワークにおけるさまざまな交換テクノロジーの市場シェアを示しています。

出所： HMS ネットワークス AB

図からわかるように、シーメンスの PRONET と PROFIBUS が主要な位置を占めています。

興味深いことに、6年前 市場の 60% は PROFINET および Ethernet/IP プロトコルによって占められていました。.

以下の表には、説明されている交換プロトコルに関する概要データが含まれています。パフォーマンスなどの一部のパラメーターは、高/低という抽象的な用語で表現されます。同等の数値は、パフォーマンス分析の記事で見つけることができます。 

	イーサキャット	パワーリンク	PROFINET	EtherNet / IP	ModbusTCP
物理層	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX
データレベル	チャネル（イーサネットフレーム）	チャネル（イーサネットフレーム）	チャネル (イーサネット フレーム)、ネットワーク/トランスポート (TCP/IP)	ネットワーク/トランスポート(TCP/IP)	ネットワーク/トランスポート(TCP/IP)
リアルタイムサポート	はい	はい	はい	はい	ノー
Производительность	ハイ	ハイ	IRT – 高、RT – 中	平均	低いです
ノード間のケーブル長	100м	100m/2km	100м	100м	100м
移行フェーズ	ノー	等時性 + 非同期	IRT – 等時性 + 非同期、RT – 非同期	ノー	ノー
ノード数	65535	240	TCP/IPネットワークの制限	TCP/IPネットワークの制限	TCP/IPネットワークの制限
衝突の解決	リングトポロジー	クロック同期、伝送フェーズ	リングトポロジー、伝送フェーズ	スイッチ、スター型トポロジー	スイッチ、スター型トポロジー
ホットスワップ	ノー	はい	はい	はい	実装に応じて
設備費	低いです	低いです	ハイ	平均	低いです

ここで説明した交換プロトコル、フィールドバス、産業用ネットワークの応用分野は非常に多岐にわたります。化学産業や自動車産業から航空宇宙技術やエレクトロニクス製造まで。高速交換プロトコルは、さまざまなデバイスのリアルタイム測位システムやロボット工学で需要があります。

どのようなプロトコルを使用し、どこに適用しましたか?コメントであなたの経験を共有してください。 🙂

出所： habr.com