біз өнеркәсіптік автоматтандыруда автобустар мен хаттамалардың қалай жұмыс істейтіні туралы айттық. Бұл жолы біз заманауи жұмыс шешімдеріне тоқталамыз: біз бүкіл әлем бойынша жүйелерде қандай протоколдар қолданылатынын қарастырамыз. Неміс компанияларының Beckhoff және Siemens, австриялық B&R, американдық Rockwell Automation және ресейлік Fastwel технологияларын қарастырайық. Біз сондай-ақ EtherCAT және CAN сияқты белгілі бір өндірушімен байланысы жоқ әмбебап шешімдерді зерттейміз.
Мақаланың соңында EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP және ModbusTCP протоколдарының сипаттамалары бар салыстыру кестесі болады.
Біз шолуда PRP, HSR, OPC UA және басқа хаттамаларды қоспадық, өйткені Өнеркәсіптік автоматтандыру жүйелерін жасап жатқан инженер әріптестеріміздің Хабре туралы тамаша мақалалары қазірдің өзінде бар. Мысалы, и .
Алдымен терминологияны анықтайық: Industrial Ethernet = өнеркәсіптік желі, Fieldbus = өріс шинасы. Ресейлік өнеркәсіптік автоматтандыруда далалық шинаға және төменгі деңгейдегі өнеркәсіптік желіге қатысты түсінбеушілік бар. Көбінесе бұл терминдер «төменгі деңгей» деп аталатын жалғыз, анық емес концепцияға біріктіріледі, ол бір мезгілде автобус емес, бірақ ол автобус емес болуы мүмкін.
Неге бұлай?Бұл шатасушылық, ең алдымен, көптеген заманауи контроллерлерде енгізу/шығару модульдерінің қосылуы көбінесе артқы панель немесе физикалық шинаның көмегімен жүзеге асырылатындығына байланысты. Яғни, бірнеше модульдерді бір блокқа біріктіру үшін белгілі шиналық контактілер мен қосқыштар қолданылады. Бірақ мұндай түйіндер, өз кезегінде, өнеркәсіптік желімен де, далалық шинамен де қосылуы мүмкін. Батыстық терминологияда нақты бөлу бар: желі - желі, автобус - автобус. Біріншісі Industrial Ethernet терминімен, екіншісі Fieldbus арқылы белгіленеді. Мақалада осы ұғымдар үшін тиісінше «өнеркәсіптік желі» және «далалық автобус» терминін пайдалану ұсынылады.
Beckhoff әзірлеген EtherCAT өнеркәсіптік желі стандарты
EtherCAT хаттамасы мен өнеркәсіптік желісі қазіргі уақытта автоматтандыру жүйелерінде деректерді берудің ең жылдам әдістерінің бірі болып табылады. EtherCAT желісі өзара әрекеттесетін түйіндер ұзақ қашықтыққа бөлінген автоматтандырудың бөлінген жүйелерінде сәтті қолданылады.
EtherCAT хаттамасы өз телеграммаларын жіберу үшін стандартты Ethernet фреймдерін пайдаланады, сондықтан ол кез келген стандартты Ethernet жабдығымен үйлесімді болып қалады және, шын мәнінде, сәйкес бағдарламалық құрал болған жағдайда деректерді қабылдау мен жіберу кез келген Ethernet контроллерінде ұйымдастырылуы мүмкін.
Енгізу/шығару модульдерінің жиынтығы бар Бекхофф контроллері. Дереккөз:
Хаттаманың спецификациясы ашық және қолжетімді, бірақ тек EtherCAT Technology Group әзірлеуші қауымдастығы аясында.
EtherCAT қалай жұмыс істейді (көрініс Zuma Inca ойыны сияқты таң қалдырады):
Бұл хаттамадағы жоғары алмасу жылдамдығы - және біз микросекунд бірліктері туралы айтуға болады - әзірлеушілер нақты құрылғыға тікелей жіберілген жеделхаттар арқылы алмасудан бас тартқандықтан жүзеге асырылады. Оның орнына, EtherCAT желісіне бір жеделхат жіберіледі, ол бір уақытта барлық құрылғыларға жіберіледі, ақпаратты жинауға және беруге арналған бағынышты түйіндердің әрқайсысы (оларды жиі OSO - объектілік байланыс құрылғысы деп те атайды) одан «ұшып» алады. оған арналған деректерді және жеделхатқа ол алмасуға беруге дайын деректерді енгізеді. Содан кейін жеделхат сол операция орын алатын келесі бағынышты түйінге жіберіледі. Барлық басқару құрылғыларынан өтіп, жеделхат негізгі контроллерге қайтарылады, ол бағынышты құрылғылардан алынған деректер негізінде басқару логикасын жүзеге асырады, жеделхат арқылы басқару сигналын беретін бағынышты түйіндермен қайтадан әрекеттеседі. жабдық.
EtherCAT желісі кез келген топологияға ие болуы мүмкін, бірақ мәні бойынша ол әрқашан сақина болады - толық дуплексті режимді және екі Ethernet қосқышын пайдалану есебінен. Осылайша, жеделхат әрқашан автобустағы әрбір құрылғыға ретімен беріледі.
Бірнеше түйіндері бар Ethercat желісінің схемалық көрінісі. Дереккөз:
Айтпақшы, EtherCAT спецификациясында 100Base-TX физикалық деңгейіне шектеулер жоқ, сондықтан хаттаманы енгізу гигабиттік және оптикалық желілер негізінде мүмкін болады.
Ашық өндірістік желілер және Siemens PROFIBUS/NET стандарттары
Неміс концерні Siemens өзінің бүкіл әлемде қолданылатын бағдарламаланатын логикалық контроллерлерімен (PLC) бұрыннан белгілі.
Siemens жабдығымен басқарылатын автоматтандырылған жүйенің түйіндері арасында деректер алмасу PROFIBUS деп аталатын өріс шинасы арқылы да, PROFINET өнеркәсіптік желісінде де жүзеге асырылады.
PROFIBUS шинасы DB-9 қосқыштары бар арнайы екі ядролы кабельді пайдаланады. Siemens-те бұл күлгін түсті, бірақ біз басқаларды іс жүзінде көрдік :). Бірнеше түйінді қосу үшін қосқыш екі кабельді қоса алады. Сондай-ақ оның терминалдық резисторға арналған қосқышы бар. Терминалды резисторды желінің соңғы құрылғыларында қосу керек, осылайша бұл бірінші немесе соңғы құрылғы екенін көрсетеді, одан кейін ештеңе жоқ, тек қараңғылық пен бостық (барлық rs485-тер осылай жұмыс істейді). Аралық қосқыштағы резисторды қоссаңыз, одан кейінгі бөлім өшеді.
Қосылатын қосқыштары бар PROFIBUS кабелі. Дереккөз:
PROFINET желісі аналогты бұралған кабельді пайдаланады, әдетте RJ-45 қосқыштары бар, кабель жасыл түсті. Егер PROFIBUS топологиясы шина болса, PROFINET желісінің топологиясы кез келген нәрсе болуы мүмкін: сақина, жұлдыз, ағаш немесе барлығы біріктірілген.
PROFINET кабелі қосылған Siemens контроллері. Дереккөз: w3.siemens.com
PROFIBUS шинасында және PROFINET желісінде бірнеше байланыс протоколдары бар.
PROFIBUS үшін:
- PROFIBUS DP – бұл хаттаманы жүзеге асыру қашықтағы тәуелді құрылғылармен байланысты қамтиды, PROFINET жағдайында бұл протокол PROFINET IO протоколына сәйкес келеді.
- PROFIBUS PA негізінен PROFIBUS DP-мен бірдей, тек деректерді беру мен қуат берудің жарылыстан қорғалған нұсқалары үшін қолданылады (әртүрлі физикалық қасиеттері бар PROFIBUS DP аналогы). PROFINET үшін PROFIBUS-қа ұқсас жарылыстан қорғалған протокол әлі жоқ.
- PROFIBUS FMS - PROFIBUS DP пайдалана алмайтын басқа өндірушілердің жүйелерімен деректер алмасуға арналған. PROFINET желісіндегі PROFIBUS FMS аналогы PROFINET CBA протоколы болып табылады.
PROFINET үшін:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO протоколы бірнеше кластарға бөлінеді:
- PROFINET NRT (нақты емес уақыт) – уақыт параметрлері маңызды емес қолданбаларда қолданылады. Ол Ethernet TCP/IP деректер тасымалдау протоколын, сондай-ақ UDP/IP пайдаланады.
- PROFINET RT (нақты уақыт) - мұнда енгізу/шығару деректерімен алмасу Ethernet фреймдері арқылы жүзеге асырылады, бірақ диагностикалық және байланыс деректері әлі де UDP/IP арқылы тасымалданады.
- PROFINET IRT (Изохронды нақты уақыт) - Бұл хаттама қозғалысты басқару қолданбалары үшін арнайы әзірленген және изохронды деректерді беру кезеңін қамтиды.
PROFINET IRT нақты уақыттағы қиын хаттаманы жүзеге асыруға келетін болсақ, қашықтағы құрылғылармен байланыс үшін ол екі алмасу арнасын ажыратады: изохронды және асинхронды. Белгіленген алмасу циклінің ұзақтығы бар изохронды арна сағаттық синхронизацияны пайдаланады және уақыт бойынша маңызды деректерді жібереді, екінші деңгейлі телеграммалар жіберу үшін қолданылады. Изохронды арнадағы жіберу ұзақтығы 1 миллисекундтан аспайды.
Асинхронды арна нақты уақыттағы деп аталатын деректерді жібереді, олар да MAC мекенжайы арқылы жіберіледі. Сонымен қатар, әртүрлі диагностикалық және көмекші ақпарат TCP/IP арқылы беріледі. Нақты уақыттағы деректер де, басқа ақпараттар да изохронды циклді үзе алмайды.
PROFINET IO функцияларының кеңейтілген жиынтығы әрбір өнеркәсіптік автоматтандыру жүйесі үшін қажет емес, сондықтан бұл хаттама сәйкестік сыныптары немесе сәйкестік сыныптары: CC-A, CC-B, CC-CC ескере отырып, белгілі бір жоба үшін масштабталады. Сәйкестік кластары ең аз талап етілетін функционалдығы бар далалық құрылғылар мен магистральдық құрамдастарды таңдауға мүмкіндік береді.
Ақпарат көзі:
PROFINET желісіндегі екінші алмасу протоколы - PROFINET CBA - әртүрлі өндірушілердің жабдықтары арасындағы өндірістік байланысты ұйымдастыру үшін қолданылады. IAS жүйелеріндегі негізгі өндірістік бірлік құрамдас деп аталатын белгілі бір нысан болып табылады. Бұл компонент әдетте құрылғының немесе қондырғының механикалық, электрлік және электрондық бөліктерінің, сондай-ақ тиісті қолданбалы бағдарламалық құралдың жиынтығы болып табылады. Әрбір компонент үшін PROFINET стандартының талаптарына сәйкес осы компоненттің интерфейсінің толық сипаттамасын қамтитын бағдарламалық модуль таңдалады. Осыдан кейін бұл бағдарламалық модульдер құрылғылармен деректер алмасу үшін пайдаланылады.
B&R Ethernet POWERLINK протоколы
Powerlink хаттамасын 2000 жылдардың басында австриялық B&R компаниясы жасаған. Бұл Ethernet стандартының жоғарғы жағындағы нақты уақыттағы хаттаманың тағы бір іске асуы. Протокол спецификациясы қол жетімді және еркін таратылады.
Powerlink технологиясы құрылғылар арасындағы барлық өзара әрекеттесу бірнеше фазаларға бөлінген кезде аралас сұрау механизмі деп аталады. Әсіресе маңызды деректер изохронды алмасу фазасында жіберіледі, ол үшін қажетті жауап уақыты конфигурацияланады, қалған деректер мүмкіндігінше асинхронды фазада жіберіледі.
Енгізу/шығару модульдерінің жиынтығы бар B&R контроллері. Дереккөз: br-automation.com
Протокол бастапқыда 100Base-TX физикалық қабатының жоғарғы жағында жүзеге асырылды, бірақ кейінірек гигабиттік іске асыру әзірленді.
Powerlink протоколы байланысты жоспарлау механизмін пайдаланады. Желіге белгілі бір маркер немесе басқару хабарламасы жіберіледі, оның көмегімен қазіргі уақытта құрылғылардың қайсысы деректермен алмасуға рұқсаты бар екені анықталады. Бір уақытта тек бір құрылғы алмасуға қол жеткізе алады.
Бірнеше түйіндері бар Ethernet POWERLINK желісінің схемалық көрінісі.
Изохронды фазада сұрау контроллері маңызды деректерді алу қажет әрбір түйінге кезекпен сұрау жібереді.
Изохронды фаза, жоғарыда айтылғандай, реттелетін цикл уақытымен орындалады. Алмасудың асинхронды фазасында IP протоколының стегі пайдаланылады, контроллер желіге жіберуге рұқсат алған кезде жауап жіберетін барлық түйіндерден маңызды емес деректерді сұрайды. Изохронды және асинхронды фазалар арасындағы уақыт арақатынасын қолмен реттеуге болады.
Rockwell Automation Ethernet/IP протоколы
EtherNet/IP хаттамасы 2000 жылы американдық Rockwell Automation компаниясының белсенді қатысуымен әзірленді. Ол TCP және UDP IP стегін пайдаланады және оны өнеркәсіптік автоматтандыру қолданбалары үшін кеңейтеді. Атаудың екінші бөлігі, танымал пікірге қарамастан, Интернет протоколын емес, өнеркәсіптік хаттаманы білдіреді. UDP IP протоколы CIP (Common Interface Protocol) байланыс стегін пайдаланады, ол ControlNet/DeviceNet желілерінде де қолданылады және TCP/IP үстіне жүзеге асырылады.
EtherNet/IP спецификациясы жалпыға қолжетімді және еркін қол жетімді. Ethernet/IP желісінің топологиясы ерікті болуы мүмкін және оған сақина, жұлдыз, ағаш немесе автобус кіреді.
HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP хаттамаларының стандартты функцияларына қосымша, ол сұрау контроллері мен енгізу/шығару құрылғылары арасында уақыт бойынша маңызды деректерді тасымалдауды жүзеге асырады. Уақыт бойынша критикалық емес деректерді беру TCP пакеттерімен қамтамасыз етіледі, ал циклдік басқару деректерін уақыт бойынша критикалық жеткізу UDP хаттамасы арқылы жүзеге асырылады.
Бөлінген жүйелерде уақытты синхрондау үшін EtherNet/IP CIP байланыс протоколының кеңейтімі болып табылатын CIPsync протоколын пайдаланады.
Бірнеше түйіндері бар Ethernet/IP желісінің схемалық көрінісі және Modbus құрылғыларының қосылуы. Дереккөз:
EtherNet/IP желісін орнатуды жеңілдету үшін стандартты автоматтандыру құрылғыларының көпшілігі алдын ала анықталған конфигурация файлдарымен келеді.
Fastwel-те FBUS протоколын енгізу
Біз FBUS өнеркәсіптік хаттамасын отандық енгізуімен ресейлік Fastwel компаниясын осы тізімге енгізу туралы ұзақ уақыт ойладық, бірақ импортты алмастыру шындықтарын жақсырақ түсіну үшін бірнеше параграф жазуды шештік.
FBUS екі физикалық іске асырылуы бар. Олардың бірі - RS485 стандартының жоғарғы жағында FBUS протоколы жұмыс істейтін автобус. Сонымен қатар, өнеркәсіптік Ethernet желісінде FBUS енгізу бар.
FBUS-ті жоғары жылдамдықты протокол деп атауға болмайды; жауап беру уақыты шинадағы енгізу/шығару модульдерінің санына және алмасу параметрлеріне қатты байланысты; ол әдетте 0,5-тен 10 миллисекундқа дейін ауытқиды. Бір FBUS тәуелді түйінінде тек 64 енгізу/шығару модулі болуы мүмкін. Fieldbus үшін кабель ұзындығы 1 метрден аспауы керек, сондықтан біз бөлінген жүйелер туралы айтпаймыз. Дәлірек айтқанда, ол жасайды, бірақ тек TCP/IP арқылы өнеркәсіптік FBUS желісін пайдаланған кезде, бұл сауалнама уақытының бірнеше есе артуын білдіреді. Автоматтандыру шкафында модульдерді ыңғайлы орналастыруға мүмкіндік беретін модульдерді қосу үшін автобустың ұзартқыш сымдарын пайдалануға болады.
Қосылған енгізу/шығару модульдері бар Fastwel контроллері. Дереккөз:
Барлығы: мұның бәрі процесті басқарудың автоматтандырылған жүйелерінде іс жүзінде қалай қолданылады
Әрине, қазіргі заманғы өнеркәсіптік деректерді беру хаттамаларының түрлерінің әртүрлілігі біз осы мақалада сипаттағаннан әлдеқайда көп. Кейбіреулер белгілі бір өндірушіге байланысты, кейбіреулері, керісінше, әмбебап. Процесті басқарудың автоматтандырылған жүйелерін (APCS) әзірлеу кезінде инженер нақты тапсырмалар мен шектеулерді (техникалық және бюджеттік) ескере отырып, оңтайлы хаттамаларды таңдайды.
Егер белгілі бір алмасу хаттамасының таралуы туралы айтатын болсақ, біз компанияның диаграммасын бере аламыз HMS желілері AB, ол өнеркәсіптік желілердегі әртүрлі биржалық технологиялардың нарықтық үлесін көрсетеді.
Ақпарат көзі:
Диаграммада көрініп тұрғандай, Siemens компаниясының PRONET және PROFIBUS жетекші орындарды иеленеді.
Бір қызығы, 6 жыл бұрын .
Төмендегі кестеде сипатталған алмасу хаттамалары бойынша жиынтық деректер бар. Кейбір параметрлер, мысалы, өнімділік, абстрактілі терминдермен көрсетіледі: жоғары / төмен. Сандық баламаларды өнімділікті талдау мақалаларынан табуға болады.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
ПРИНЦИП
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Физикалық қабат
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Деректер деңгейі
|
Арна (Ethernet кадрлары)
|
Арна (Ethernet кадрлары)
|
Арна (Ethernet кадрлары), желі/тасымалдау (TCP/IP)
|
Желі/Транспорт (TCP/IP)
|
Желі/Транспорт (TCP/IP)
|
|
Нақты уақыттағы қолдау
|
сол
|
сол
|
сол
|
сол
|
жоқ
|
|
өнімділік
|
Жоғары
|
Жоғары
|
IRT – жоғары, RT – орташа
|
Орташа
|
Төмен
|
|
Түйіндер арасындағы кабель ұзындығы
|
100
|
100м/2км
|
100
|
100
|
100
|
|
Трансфер фазалары
|
жоқ
|
Изохронды + асинхронды
|
IRT – изохронды + асинхронды, RT – асинхронды
|
жоқ
|
жоқ
|
|
Түйіндердің саны
|
65535
|
240
|
TCP/IP желісін шектеу
|
TCP/IP желісін шектеу
|
TCP/IP желісін шектеу
|
|
Соқтығыстың рұқсаты
|
Сақина топологиясы
|
Сағаттың синхронизациясы, беру фазалары
|
Сақина топологиясы, беру фазалары
|
Коммутаторлар, жұлдызша топологиясы
|
Коммутаторлар, жұлдызша топологиясы
|
|
Ыстық своп
|
жоқ
|
сол
|
сол
|
сол
|
Орындалуына байланысты
|
|
Жабдықтардың құны
|
Төмен
|
Төмен
|
Жоғары
|
Орташа
|
Төмен
|
Сипатталған алмасу хаттамаларын, өріс автобустарын және өнеркәсіптік желілерді қолдану аймақтары өте әртүрлі. Химия және автомобиль өнеркәсібінен аэроғарыштық технологиялар мен электроника өндірісіне дейін. Жоғары жылдамдықты алмасу хаттамалары әртүрлі құрылғылар үшін нақты уақыттағы позициялау жүйелерінде және робототехникада сұранысқа ие.
Сіз қандай хаттамалармен жұмыс істедіңіз және оларды қайда қолдандыңыз? Пікірлерде тәжірибеңізбен бөлісіңіз. 🙂
Ақпарат көзі: www.habr.com