산업 자동화 시스템의 최신 프로토콜 검토

이전 출판물에서는 우리는 산업 자동화에서 버스와 프로토콜이 어떻게 작동하는지에 대해 이야기했습니다. 이번에는 현대적인 작업 솔루션에 초점을 맞춰 전 세계 시스템에서 어떤 프로토콜이 사용되는지 살펴보겠습니다. 독일 회사인 Beckhoff와 Siemens, 오스트리아의 B&R, 미국의 Rockwell Automation 및 러시아의 Fastwel의 기술을 고려해 보겠습니다. EtherCAT, CAN 등 특정 제조사에 얽매이지 않는 보편적인 솔루션도 연구하겠습니다. 

기사 마지막에는 EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP 및 ModbusTCP 프로토콜의 특성을 비교한 표가 있습니다.

우리는 검토에 PRP, HSR, OPC UA 및 기타 프로토콜을 포함하지 않았습니다. 산업 자동화 시스템을 개발하고 있는 동료 엔지니어들이 Habré에 관한 훌륭한 기사를 이미 게시했습니다. 예를 들어, “PRP 및 HSR “완벽한” 이중화 프로토콜” и “Linux의 산업 교환 프로토콜 게이트웨이. 직접 조립해 보세요".

먼저 용어를 정의해 보겠습니다. 산업용 이더넷 = 산업용 네트워크, 필드버스 = 필드 버스. 러시아 산업 자동화에서는 필드버스와 하위 산업 네트워크와 관련된 용어에 혼란이 있다. 종종 이러한 용어는 "하위 레벨"이라는 단일하고 모호한 개념으로 결합됩니다. 이는 버스가 아닐 수도 있지만 필드버스와 하위 레벨 버스로 모두 지칭됩니다.

왜 그럴까요?이러한 혼란은 많은 최신 컨트롤러에서 I/O 모듈의 연결이 백플레인이나 물리적 버스를 사용하여 구현되는 경우가 많기 때문에 발생할 가능성이 높습니다. 즉, 특정 버스 접점과 커넥터는 여러 모듈을 단일 장치로 결합하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 노드는 산업 네트워크와 필드 버스를 통해 상호 연결될 수 있습니다. 서양 용어에는 명확한 구분이 있습니다. 네트워크는 네트워크이고 버스는 버스입니다. 첫 번째는 산업용 이더넷이라는 용어로 지정되고 두 번째는 Fieldbus로 지정됩니다. 이 기사에서는 이러한 개념에 대해 각각 "산업 네트워크"라는 용어와 "필드 버스"라는 용어를 사용할 것을 제안합니다.

Beckhoff가 개발한 산업용 네트워크 표준 EtherCAT

EtherCAT 프로토콜과 산업용 네트워크는 아마도 오늘날 자동화 시스템에서 가장 빠른 데이터 전송 방법 중 하나일 것입니다. EtherCAT 네트워크는 상호 작용하는 노드가 장거리로 분리되어 있는 분산 자동화 시스템에서 성공적으로 사용됩니다.

EtherCAT 프로토콜은 표준 이더넷 프레임을 사용하여 전문을 전송하므로 모든 표준 이더넷 장비와 호환되며 실제로 적절한 소프트웨어를 사용할 수 있는 경우 모든 이더넷 컨트롤러에서 데이터 수신 및 전송을 구성할 수 있습니다.

I/O 모듈 세트가 있는 Beckhoff 컨트롤러. 원천: www.beckhoff.de

프로토콜 사양은 공개되어 사용 가능하지만 개발 협회인 EtherCAT Technology Group의 프레임워크 내에서만 가능합니다.

EtherCAT의 작동 방식은 다음과 같습니다(Zuma Inca 게임처럼 광경은 매혹적입니다).

이 프로토콜의 높은 교환 속도(마이크로초 단위로 이야기할 수 있음)는 개발자가 특정 장치에 직접 전송되는 전보를 사용한 교환을 거부했기 때문에 실현되었습니다. 대신, 하나의 전보가 EtherCAT 네트워크로 전송되어 동시에 모든 장치에 주소가 지정되고 정보 수집 및 전송을 위한 각 슬레이브 노드(종종 OSO(객체 통신 장치)라고도 함)가 "즉시" 정보를 가져옵니다. 이를 위해 의도된 데이터와 교환을 위해 제공할 준비가 된 데이터를 전보에 삽입합니다. 그런 다음 텔레그램은 동일한 작업이 발생하는 다음 슬레이브 노드로 전송됩니다. 모든 제어 장치를 통과한 후 텔레그램은 슬레이브 장치에서 수신된 데이터를 기반으로 제어 로직을 구현하는 메인 컨트롤러로 반환되며 다시 텔레그램을 통해 슬레이브 노드와 상호 작용하여 제어 신호를 보냅니다. 장비.

EtherCAT 네트워크는 모든 토폴로지를 가질 수 있지만 본질적으로 전이중 모드와 두 개의 이더넷 커넥터를 사용하기 때문에 항상 링 모양입니다. 이러한 방식으로 텔레그램은 항상 버스의 각 장치에 순차적으로 전송됩니다.

여러 노드가 있는 Ethercat 네트워크의 도식적 표현. 원천: realpars.com

그런데 EtherCAT 사양에는 100Base-TX 물리 계층에 대한 제한이 없으므로 기가비트 및 광 회선 기반으로 프로토콜 구현이 가능합니다.

Siemens의 개방형 산업용 네트워크 및 PROFIBUS/NET 표준

독일의 관심사 Siemens는 전 세계적으로 사용되는 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)로 오랫동안 알려져 왔습니다.

Siemens 장비로 제어되는 자동화 시스템의 노드 간 데이터 교환은 PROFIBUS라는 필드 버스와 PROFINET 산업용 네트워크를 통해 수행됩니다.

PROFIBUS 버스는 DB-9 커넥터가 있는 특수 485코어 케이블을 사용합니다. Siemens는 보라색으로 표시되어 있지만 실제로는 다른 제품도 보았습니다 :). 여러 노드를 연결하기 위해 커넥터는 두 개의 케이블을 연결할 수 있습니다. 또한 종단 저항용 스위치도 있습니다. 종단 저항은 네트워크의 끝 장치에서 켜져야 하며 이것이 첫 번째 또는 마지막 장치임을 나타내며 그 뒤에는 아무것도 없고 어둠과 공허함만 있습니다(모든 RSXNUMX는 이와 같이 작동합니다). 중간 커넥터의 저항을 켜면 그 뒤의 섹션이 꺼집니다.

연결 커넥터가 있는 PROFIBUS 케이블. 원천: VIPA 컨트롤아메리카

PROFINET 네트워크는 일반적으로 RJ-45 커넥터와 함께 아날로그 연선 케이블을 사용하며 케이블은 녹색입니다. PROFIBUS의 토폴로지가 버스인 경우 PROFINET 네트워크의 토폴로지는 링, 별, 트리 또는 모든 것이 결합된 형태일 수 있습니다.

PROFINET 케이블이 연결된 Siemens 컨트롤러. 출처: w3.siemens.com

PROFIBUS 버스와 PROFINET 네트워크에는 여러 가지 통신 프로토콜이 있습니다.

프로피버스의 경우:

1. PROFIBUS DP - 이 프로토콜의 구현에는 원격 슬레이브 장치와의 통신이 포함되며, PROFINET의 경우 이 프로토콜은 PROFINET IO 프로토콜에 해당합니다.
2. PROFIBUS PA는 기본적으로 PROFIBUS DP와 동일하며 방폭 버전의 데이터 전송 및 전원 공급 장치에만 사용됩니다(물리적 특성이 다른 PROFIBUS DP와 유사). PROFINET의 경우 PROFIBUS와 유사한 방폭 프로토콜이 아직 존재하지 않습니다.
3. PROFIBUS FMS - PROFIBUS DP를 사용할 수 없는 다른 제조업체의 시스템과 데이터를 교환하도록 설계되었습니다. PROFINET 네트워크의 PROFIBUS FMS 아날로그는 PROFINET CBA 프로토콜입니다.

PROFINET의 경우:

1. 프로피넷 IO;
2. 프로피넷 CBA.

PROFINET IO 프로토콜은 여러 클래스로 구분됩니다.

• PROFINET NRT(비실시간) - 타이밍 매개변수가 중요하지 않은 애플리케이션에 사용됩니다. UDP/IP는 물론 이더넷 TCP/IP 데이터 전송 프로토콜도 사용합니다.
• PROFINET RT(실시간) - 여기서 I/O 데이터 교환은 이더넷 프레임을 사용하여 구현되지만 진단 및 통신 데이터는 여전히 UDP/IP를 통해 전송됩니다. 
• PROFINET IRT(등시성 실시간) - 이 프로토콜은 모션 제어 애플리케이션을 위해 특별히 개발되었으며 등시성 데이터 전송 단계를 포함합니다.

PROFINET IRT 하드 실시간 프로토콜 구현의 경우 원격 장치와의 통신을 위해 등시성 및 비동기식이라는 두 가지 교환 채널을 구분합니다. 고정된 교환 주기 길이를 갖는 등시성 채널은 클록 동기화를 사용하고 시간이 중요한 데이터를 전송하며, 전송에는 두 번째 수준 텔레그램이 사용됩니다. 등시성 채널의 전송 기간은 1밀리초를 초과하지 않습니다.

비동기 채널은 MAC 주소를 통해 주소가 지정되는 소위 실시간 데이터를 전송합니다. 또한 다양한 진단 및 보조 정보가 TCP/IP를 통해 전송됩니다. 물론 실시간 데이터는 물론 다른 정보도 등시성 주기를 방해할 수 없습니다.

모든 산업 자동화 시스템에 확장된 PROFINET IO 기능 세트가 필요하지 않으므로 이 프로토콜은 규정 준수 클래스 또는 적합성 클래스(CC-A, CC-B, CC-CC)를 고려하여 특정 프로젝트에 맞게 확장됩니다. 규정 준수 등급을 사용하면 최소한의 필수 기능을 갖춘 현장 장치 및 백본 구성 요소를 선택할 수 있습니다. 

출처 : PROFINET 대학 수업

PROFINET 네트워크의 두 번째 교환 프로토콜인 PROFINET CBA는 여러 제조업체의 장비 간 산업 통신을 구성하는 데 사용됩니다. IAS 시스템의 주요 생산 단위는 구성 요소라고 하는 특정 개체입니다. 이 구성요소는 일반적으로 장치 또는 설비의 기계, 전기 및 전자 부품과 관련 응용 프로그램 소프트웨어의 모음입니다. 각 구성 요소에 대해 PROFINET 표준 요구 사항에 따라 이 구성 요소의 인터페이스에 대한 완전한 설명이 포함된 소프트웨어 모듈이 선택됩니다. 그 후 이러한 소프트웨어 모듈은 장치와 데이터를 교환하는 데 사용됩니다. 

B&R 이더넷 POWERLINK 프로토콜

Powerlink 프로토콜은 2000년대 초반 오스트리아 회사 B&R에 의해 개발되었습니다. 이는 이더넷 표준 위에 실시간 프로토콜을 구현한 또 다른 방법입니다. 프로토콜 사양은 자유롭게 이용 가능하고 배포됩니다. 

Powerlink 기술은 장치 간의 모든 상호 작용이 여러 단계로 나누어지는 소위 혼합 폴링 메커니즘을 사용합니다. 특히 중요한 데이터는 필요한 응답 시간이 구성된 등시성 교환 단계에서 전송되며, 나머지 데이터는 가능할 때마다 비동기 단계에서 전송됩니다.

I/O 모듈 세트를 갖춘 B&R 컨트롤러. 출처: br-automation.com

이 프로토콜은 원래 100Base-TX 물리 계층 위에 구현되었지만 나중에 기가비트 구현이 개발되었습니다.

Powerlink 프로토콜은 통신 스케줄링 메커니즘을 사용합니다. 특정 마커 또는 제어 메시지가 네트워크로 전송되며, 이를 통해 현재 데이터 교환 권한이 있는 장치가 무엇인지 확인됩니다. 한 번에 하나의 장치만 Exchange에 액세스할 수 있습니다.

여러 노드가 있는 이더넷 POWERLINK 네트워크의 도식적 표현입니다.

등시성 단계에서 폴링 컨트롤러는 중요한 데이터를 수신해야 하는 각 노드에 순차적으로 요청을 보냅니다. 

등시성 단계는 이미 언급한 바와 같이 조정 가능한 사이클 시간으로 수행됩니다. 교환의 비동기 단계에서는 IP 프로토콜 스택이 사용되며 컨트롤러는 모든 노드에 중요하지 않은 데이터를 요청하고, 노드가 네트워크에 전송할 액세스 권한을 얻으면 응답을 보냅니다. 등시성 단계와 비동기식 단계 사이의 시간 비율은 수동으로 조정할 수 있습니다.

로크웰 오토메이션 이더넷/IP 프로토콜

EtherNet/IP 프로토콜은 2000년 미국 기업인 Rockwell Automation의 적극적인 참여로 개발되었습니다. TCP 및 UDP IP 스택을 사용하고 산업 자동화 애플리케이션을 위해 확장합니다. 대중적인 믿음과는 달리 이름의 두 번째 부분은 인터넷 프로토콜이 아니라 산업 프로토콜을 의미합니다. UDP IP는 ControlNet/DeviceNet 네트워크에서도 사용되며 TCP/IP 위에 구현되는 CIP(Common Interface Protocol) 통신 스택을 사용합니다.

EtherNet/IP 사양은 공개적으로 이용 가능하며 무료로 이용 가능합니다. 이더넷/IP 네트워크 토폴로지는 임의적일 수 있으며 링, 스타, 트리 또는 버스를 포함할 수 있습니다.

HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP 프로토콜의 표준 기능 외에도 폴링 컨트롤러와 I/O 장치 간에 시간이 중요한 데이터의 전송을 구현합니다. 시간이 중요하지 않은 데이터의 전송은 TCP 패킷을 통해 제공되며, 시간이 중요한 순환 제어 데이터의 전달은 UDP 프로토콜을 통해 수행됩니다. 

분산 시스템에서 시간을 동기화하기 위해 EtherNet/IP는 CIP 통신 프로토콜의 확장인 CIPsync 프로토콜을 사용합니다.

여러 노드와 Modbus 장치 연결이 있는 이더넷/IP 네트워크의 도식적 표현입니다. 원천: www.icpdas.com.tw

EtherNet/IP 네트워크 설정을 단순화하기 위해 대부분의 표준 자동화 장치에는 사전 정의된 구성 파일이 함께 제공됩니다.

Fastwel에서 FBUS 프로토콜 구현

우리는 FBUS 산업 ​​프로토콜의 국내 구현과 함께 이 목록에 러시아 회사 Fastwel을 포함할지 오랫동안 고민했지만 수입 대체의 현실을 더 잘 이해하기 위해 몇 가지 단락을 작성하기로 결정했습니다.

FBUS에는 두 가지 물리적 구현이 있습니다. 그 중 하나는 FBUS 프로토콜이 RS485 표준 위에서 실행되는 버스입니다. 또한 산업용 이더넷 네트워크에는 FBUS가 구현되어 있습니다.

FBUS는 고속 프로토콜이라고 할 수 없습니다. 응답 시간은 버스의 I/O 모듈 수와 교환 매개변수에 따라 크게 달라지며 일반적으로 범위는 0,5~10밀리초입니다. 하나의 FBUS 슬레이브 노드에는 64개의 I/O 모듈만 포함될 수 있습니다. 필드버스의 경우 케이블 길이는 1m를 초과할 수 없으므로 분산 시스템에 대해서는 이야기하지 않습니다. 또는 오히려 TCP/IP를 통해 산업용 FBUS 네트워크를 사용할 때만 그렇습니다. 이는 폴링 시간이 여러 번 증가함을 의미합니다. 버스 연장 코드를 사용하여 모듈을 연결할 수 있으므로 자동화 캐비닛에 모듈을 편리하게 배치할 수 있습니다.

I/O 모듈이 연결된 Fastwel 컨트롤러. 원천: 제어공학 러시아

전체: 자동화된 프로세스 제어 시스템에서 이 모든 것이 실제로 어떻게 사용되는지

당연히 현대 산업 데이터 전송 프로토콜의 유형은 이 기사에서 설명한 것보다 훨씬 더 다양합니다. 일부는 특정 제조업체에 연결되어 있고 일부는 보편적입니다. 자동화된 공정 제어 시스템(APCS)을 개발할 때 엔지니어는 특정 작업 및 제한 사항(기술 및 예산)을 고려하여 최적의 프로토콜을 선택합니다.

특정 교환 프로토콜의 보급률에 대해 이야기하면 회사의 다이어그램을 제공할 수 있습니다. HMS 네트웍스 AB, 이는 산업 네트워크에서 다양한 교환 기술의 시장 점유율을 보여줍니다.

출처 : HMS 네트웍스 AB

다이어그램에서 볼 수 있듯이 Siemens의 PRONET과 PROFIBUS가 선두 자리를 차지하고 있습니다.

흥미롭게도 6년 전 PROFINET 및 Ethernet/IP 프로토콜이 시장의 60%를 점유.

아래 표에는 설명된 교환 프로토콜에 대한 요약 데이터가 포함되어 있습니다. 성능과 같은 일부 매개변수는 높음/낮음이라는 추상적인 용어로 표현됩니다. 수치적 등가물은 성능 분석 기사에서 찾을 수 있습니다. 

	이더캣	파워링크	프로피 넷	EtherNet / IP	모드버스TCP
물리층	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX	100/1000BASE-TX
데이터 수준	채널(이더넷 프레임)	채널(이더넷 프레임)	채널(이더넷 프레임), 네트워크/전송(TCP/IP)	네트워크/전송(TCP/IP)	네트워크/전송(TCP/IP)
실시간 지원	Да	Да	Да	Да	아니
Производительность	높은	높은	IRT – 높음, RT – 중간	평균	낮은
노드 간 케이블 길이	100m	100m/2km	100m	100m	100m
전송 단계	아니	등시성 + 비동기성	IRT - 등시성 + 비동기식, RT - 비동기식	아니	아니
노드 수	65535	240	TCP/IP 네트워크 제한	TCP/IP 네트워크 제한	TCP/IP 네트워크 제한
충돌 해결	링 토폴로지	클록 동기화, 전송 단계	링 토폴로지, 전송 단계	스위치, 스타 토폴로지	스위치, 스타 토폴로지
핫스왑	아니	Да	Да	Да	구현에 따라
장비 비용	낮은	낮은	높은	평균	낮은

설명된 교환 프로토콜, 필드버스 및 산업용 네트워크의 적용 분야는 매우 다양합니다. 화학 및 자동차 산업부터 항공우주 기술 및 전자 제조까지. 다양한 장치의 실시간 위치 확인 시스템과 로봇공학에서는 고속 교환 프로토콜이 요구됩니다.

어떤 프로토콜을 사용했으며 어디에 적용했나요? 의견에 귀하의 경험을 공유하십시오. 🙂

출처 : habr.com