kalbėjome apie tai, kaip pramoninėje automatikoje veikia autobusai ir protokolai. Šį kartą daugiausia dėmesio skirsime šiuolaikiniams darbo sprendimams: apžvelgsime, kokie protokolai naudojami sistemose visame pasaulyje. Panagrinėkime vokiečių kompanijų „Beckhoff“ ir „Siemens“, austrų „B&R“, amerikiečių „Rockwell Automation“ ir Rusijos „Fastwel“ technologijas. Taip pat išnagrinėsime universalius sprendimus, kurie nėra susieti su konkrečiu gamintoju, pvz., EtherCAT ir CAN.
Straipsnio pabaigoje bus palyginimo lentelė su EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP ir ModbusTCP protokolų charakteristikomis.
Į apžvalgą neįtraukėme PRP, HSR, OPC UA ir kitų protokolų, nes Apie juos jau yra puikių straipsnių apie Habré mūsų kolegų inžinierių, kuriančių pramoninės automatikos sistemas. Pavyzdžiui, и .
Pirmiausia apibrėžkime terminologiją: Pramoninis Ethernet = pramoninis tinklas, lauko magistralė = lauko magistralė. Rusijos pramonės automatizacijoje yra painiavos dėl terminų, susijusių su lauko magistrale ir žemesnio lygio pramoniniu tinklu. Dažnai šie terminai sujungiami į vieną neaiškią sąvoką, vadinamą „žemesniu lygiu“, kuri vadinama lauko magistrale ir žemesnio lygio magistrale, nors tai gali būti ir ne magistralė.
Kodėl taip yra?Ši painiava greičiausiai kyla dėl to, kad daugelyje šiuolaikinių valdiklių I/O modulių prijungimas dažnai įgyvendinamas naudojant galinę plokštę arba fizinę magistralę. Tai yra, tam tikri magistralės kontaktai ir jungtys naudojami norint sujungti kelis modulius į vieną įrenginį. Tačiau tokius mazgus savo ruožtu galima sujungti tiek pramoniniu tinklu, tiek lauko magistrale. Vakarų terminologijoje yra aiškus skirstymas: tinklas yra tinklas, autobusas yra autobusas. Pirmasis žymimas terminu Industrial Ethernet, antrasis - lauko magistrale. Straipsnyje šioms sąvokoms siūloma vartoti atitinkamai terminus „pramoninis tinklas“ ir „lauko magistralę“.
Pramoninio tinklo standartas EtherCAT, sukurtas Beckhoff
EtherCAT protokolas ir pramoninis tinklas šiandien yra vienas greičiausių duomenų perdavimo būdų automatizavimo sistemose. EtherCAT tinklas sėkmingai naudojamas paskirstytose automatikos sistemose, kur tarpusavyje sąveikaujantys mazgai yra atskiriami dideliais atstumais.
EtherCAT protokolas naudoja standartinius eterneto kadrus savo telegramoms perduoti, todėl jis išlieka suderinamas su bet kokia standartine Ethernet įranga ir iš tikrųjų duomenų priėmimas ir perdavimas gali būti organizuojamas bet kuriame Ethernet valdiklyje, jei yra atitinkama programinė įranga.
Beckhoff valdiklis su I/O modulių rinkiniu. Šaltinis:
Protokolo specifikacija yra atvira ir prieinama, tačiau tik kūrimo asociacijos - EtherCAT Technology Group - rėmuose.
Štai kaip veikia EtherCAT (spektaklis užburia, kaip žaidimas Zuma Inca):
Didelis apsikeitimo greitis šiame protokole – ir galime kalbėti apie mikrosekundžių vienetus – realizuojamas dėl to, kad kūrėjai atsisakė keistis naudodamiesi telegramomis, siunčiamomis tiesiai į konkretų įrenginį. Vietoj to, į EtherCAT tinklą siunčiama viena telegrama, adresuota visiems įrenginiams tuo pačiu metu, kiekvienas iš informacijos rinkimo ir perdavimo pagalbinių mazgų (jie taip pat dažnai vadinami OSO - objektų komunikacijos įrenginiu) paima iš jo „skrendant“. duomenis, kurie jam buvo skirti, ir į telegramą įterpia duomenis, kuriuos yra pasirengęs pateikti apsikeitimui. Tada telegrama siunčiama į kitą pavaldinį mazgą, kur atliekama ta pati operacija. Perėjus visus valdymo įrenginius, telegrama grąžinama į pagrindinį valdiklį, kuris, remdamasis iš pavaldinių įrenginių gautais duomenimis, įgyvendina valdymo logiką, per telegramą vėl sąveikaudamas su pagalbiniais mazgais, kurie siunčia valdymo signalą į įranga.
EtherCAT tinklas gali turėti bet kokią topologiją, tačiau iš esmės jis visada bus žiedas – dėl to, kad naudojamas visiškas dvipusis režimas ir dvi Ethernet jungtys. Tokiu būdu telegrama visada bus nuosekliai perduodama kiekvienam magistralėje esančiam įrenginiui.
Scheminis Ethercat tinklo su keliais mazgais vaizdavimas. Šaltinis:
Beje, EtherCAT specifikacijoje nėra apribojimų 100Base-TX fiziniam sluoksniui, todėl protokolo įgyvendinimas galimas remiantis gigabitinėmis ir optinėmis linijomis.
Atviri pramoniniai tinklai ir PROFIBUS/NET standartai iš Siemens
Vokiečių koncernas Siemens nuo seno garsėja programuojamaisiais loginiais valdikliais (PLC), kurie naudojami visame pasaulyje.
Duomenų mainai tarp automatizuotos sistemos mazgų, valdomų Siemens įranga, vyksta tiek per lauko magistralę, vadinamą PROFIBUS, tiek PROFINET pramoniniame tinkle.
PROFIBUS magistralei naudojamas specialus dviejų gyslų kabelis su DB-9 jungtimis. Siemens turi violetine spalva, bet praktikoje matėme ir kitų :). Norint sujungti kelis mazgus, jungtis gali sujungti du kabelius. Jame taip pat yra terminalo rezistoriaus jungiklis. Galiniuose tinklo įrenginiuose turi būti įjungtas terminalo rezistorius, taip parodydamas, kad tai pirmas ar paskutinis įrenginys, o po jo nieko nėra, tik tamsa ir tuštuma (visi rs485 taip veikia). Jei įjungsite rezistorių ant tarpinės jungties, sekantis skyrius bus išjungtas.
PROFIBUS laidas su jungiamomis jungtimis. Šaltinis:
PROFINET tinkle naudojamas analoginis vytos poros kabelis, dažniausiai su RJ-45 jungtimis, kabelis yra žalios spalvos. Jei PROFIBUS topologija yra magistralė, tai PROFINET tinklo topologija gali būti bet kokia: žiedas, žvaigždė, medis arba viskas kartu.
Siemens valdiklis su prijungtu PROFINET kabeliu. Šaltinis: w3.siemens.com
PROFIBUS magistralėje ir PROFINET tinkle yra keli ryšio protokolai.
PROFIBUS atveju:
- PROFIBUS DP - šio protokolo įgyvendinimas apima ryšį su nuotoliniais pagalbiniais įrenginiais; PROFINET atveju šis protokolas atitinka PROFINET IO protokolą.
- PROFIBUS PA iš esmės yra tas pats kaip PROFIBUS DP, naudojamas tik sprogimui atsparioms duomenų perdavimo ir maitinimo versijoms (analogiškai PROFIBUS DP su skirtingomis fizinėmis savybėmis). PROFINET atveju dar nėra sprogimui atsparaus protokolo, panašaus į PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS – skirtas keistis duomenimis su kitų gamintojų sistemomis, kurios negali naudoti PROFIBUS DP. PROFIBUS FMS analogas PROFINET tinkle yra PROFINET CBA protokolas.
PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO protokolas suskirstytas į kelias klases:
- PROFINET NRT (non-real time) – naudojamas programose, kuriose laiko parametrai nėra svarbūs. Jis naudoja Ethernet TCP/IP duomenų perdavimo protokolą, taip pat UDP/IP.
- PROFINET RT (realiu laiku) – čia I/O duomenų mainai realizuojami naudojant eterneto rėmus, tačiau diagnostikos ir ryšio duomenys vis tiek perduodami per UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – šis protokolas buvo sukurtas specialiai judesio valdymo programoms ir apima izochroninio duomenų perdavimo fazę.
Kalbant apie PROFINET IRT standaus realaus laiko protokolo įgyvendinimą, ryšiui su nuotoliniais įrenginiais jis išskiria du mainų kanalus: izochroninį ir asinchroninį. Izochroninis kanalas su fiksuotu mainų ciklo ilgiu naudoja laikrodžio sinchronizaciją ir perduoda laikui svarbius duomenis; perdavimui naudojamos antrojo lygio telegramos. Perdavimo trukmė izochroniniame kanale neviršija 1 milisekundės.
Asinchroninis kanalas perduoda vadinamuosius realaus laiko duomenis, kurie taip pat adresuojami per MAC adresą. Be to, per TCP/IP perduodama įvairi diagnostinė ir pagalbinė informacija. Nei realaus laiko duomenys, o tuo labiau kita informacija, žinoma, negali nutraukti izochroninio ciklo.
Išplėstinis PROFINET IO funkcijų rinkinys reikalingas ne kiekvienai pramoninės automatikos sistemai, todėl šis protokolas yra pritaikytas konkrečiam projektui, atsižvelgiant į atitikties klases arba atitikties klases: CC-A, CC-B, CC-CC. Atitikties klasės leidžia pasirinkti lauko įrenginius ir pagrindinio tinklo komponentus su minimaliomis reikiamomis funkcijomis.
Šaltinis:
Antrasis apsikeitimo protokolas PROFINET tinkle - PROFINET CBA - naudojamas organizuoti pramoninį ryšį tarp skirtingų gamintojų įrangos. Pagrindinis gamybos padalinys IAS sistemose yra tam tikras subjektas, vadinamas komponentu. Šis komponentas paprastai yra mechaninių, elektrinių ir elektroninių įrenginio ar įrenginio dalių rinkinys, taip pat susijusi taikomoji programinė įranga. Kiekvienam komponentui parenkamas programinės įrangos modulis, kuriame yra pilnas šio komponento sąsajos aprašymas pagal PROFINET standarto reikalavimus. Po to šie programinės įrangos moduliai naudojami keistis duomenimis su įrenginiais.
B&R Ethernet POWERLINK protokolas
Powerlink protokolą 2000-ųjų pradžioje sukūrė Austrijos įmonė B&R. Tai dar vienas realaus laiko protokolo įgyvendinimas, papildantis Ethernet standartą. Protokolo specifikacija prieinama ir platinama laisvai.
Powerlink technologija naudoja vadinamąjį mišrų apklausos mechanizmą, kai visa sąveika tarp įrenginių yra padalinta į kelias fazes. Ypač svarbūs duomenys perduodami izochroninio mainų fazėje, kuriai sukonfigūruojamas reikiamas atsako laikas, o likę duomenys, kai tik įmanoma, bus perduodami asinchroninėje fazėje.
B&R valdiklis su I/O modulių rinkiniu. Šaltinis: br-automation.com
Iš pradžių protokolas buvo įdiegtas ant 100Base-TX fizinio sluoksnio, tačiau vėliau buvo sukurtas gigabitinis diegimas.
„Powerlink“ protokolas naudoja ryšio planavimo mechanizmą. Į tinklą siunčiamas tam tikras žymeklis arba valdymo pranešimas, kurio pagalba nustatoma, kuris iš įrenginių šiuo metu turi leidimą keistis duomenimis. Vienu metu prie biržos gali prisijungti tik vienas įrenginys.
Scheminis Ethernet POWERLINK tinklo su keliais mazgais vaizdas.
Izochroninėje fazėje apklausos valdiklis nuosekliai siunčia užklausą kiekvienam mazgui, iš kurio reikia gauti svarbius duomenis.
Izochroninė fazė atliekama, kaip jau minėta, su reguliuojamu ciklo laiku. Asinchroninėje mainų fazėje naudojamas IP protokolų stekas, valdiklis prašo nekritinių duomenų iš visų mazgų, kurie, gavus prieigą, siunčia atsakymą perduoti į tinklą. Laiko santykis tarp izochroninės ir asinchroninės fazės gali būti reguliuojamas rankiniu būdu.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokolas
EtherNet/IP protokolas buvo sukurtas aktyviai dalyvaujant amerikiečių kompanijai Rockwell Automation 2000 m. Jis naudoja TCP ir UDP IP paketą ir išplečia jį pramoninės automatikos programoms. Antroji pavadinimo dalis, priešingai populiariam įsitikinimui, reiškia ne interneto protokolą, o pramoninį protokolą. UDP IP naudoja CIP (Common Interface Protocol) ryšių kamino, kuris taip pat naudojamas ControlNet/DeviceNet tinkluose ir yra įdiegtas ant TCP/IP.
EtherNet/IP specifikacija yra viešai ir laisvai prieinama. Ethernet/IP tinklo topologija gali būti savavališka ir apimti žiedą, žvaigždutę, medį arba magistralę.
Be standartinių HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokolų funkcijų, jis įgyvendina laiko kritinių duomenų perdavimą tarp apklausos valdiklio ir I/O įrenginių. Nelaikui svarbių duomenų perdavimas užtikrinamas TCP paketais, o ciklinių valdymo duomenų laiko kritinis pristatymas vykdomas UDP protokolu.
Norėdami sinchronizuoti laiką paskirstytose sistemose, EtherNet/IP naudoja CIPsync protokolą, kuris yra CIP ryšio protokolo plėtinys.
Scheminis Ethernet/IP tinklo su keliais mazgais ir Modbus įrenginių prijungimo vaizdavimas. Šaltinis:
Siekiant supaprastinti EtherNet/IP tinklo sąranką, daugumoje standartinių automatizavimo įrenginių yra iš anksto nustatyti konfigūracijos failai.
FBUS protokolo įgyvendinimas Fastwel
Ilgai galvojome, ar į šį sąrašą įtraukti Rusijos kompaniją „Fastwel“, kuri šalyje įdiegė FBUS pramoninį protokolą, bet tada nusprendėme parašyti keletą pastraipų, kad geriau suprastume importo pakeitimo realijas.
Yra du fiziniai FBUS diegimai. Vienas iš jų yra magistralė, kurioje FBUS protokolas veikia virš RS485 standarto. Be to, pramoniniame Ethernet tinkle yra įdiegtas FBUS.
FBUS vargu ar galima pavadinti didelės spartos protokolu, atsako laikas labai priklauso nuo įvesties/išvesties modulių skaičiaus magistralėje ir nuo mainų parametrų, dažniausiai svyruoja nuo 0,5 iki 10 milisekundžių. Viename FBUS pagalbiniame mazge gali būti tik 64 I/O moduliai. Lauko magistralei kabelio ilgis negali viršyti 1 metro, todėl nekalbame apie paskirstytas sistemas. Tiksliau, tai daro, bet tik tada, kai naudojamas pramoninis FBUS tinklas per TCP/IP, o tai reiškia, kad apklausos laikas pailgėja kelis kartus. Modulių prijungimui galima naudoti magistralės prailginimo laidus, o tai leidžia patogiai išdėstyti modulius automatikos spintoje.
Fastwel valdiklis su prijungtais I/O moduliais. Šaltinis:
Iš viso: kaip visa tai praktiškai panaudojama automatizuotose procesų valdymo sistemose
Natūralu, kad šiuolaikinių pramoninių duomenų perdavimo protokolų tipų įvairovė yra daug didesnė, nei aprašėme šiame straipsnyje. Kai kurie yra susieti su konkrečiu gamintoju, kai kurie, atvirkščiai, yra universalūs. Kurdamas automatizuotas procesų valdymo sistemas (APCS), inžinierius parenka optimalius protokolus, atsižvelgdamas į konkrečias užduotis ir apribojimus (techninius ir biudžetinius).
Jei kalbame apie konkretaus mainų protokolo paplitimą, galime pateikti įmonės schemą HMS Networks AB, iliustruojantis įvairių mainų technologijų rinkos dalis pramonės tinkluose.
Šaltinis:
Kaip matyti iš diagramos, „Siemens“ PRONET ir PROFIBUS užima pirmaujančias pozicijas.
Įdomu tai, kad prieš 6 m .
Žemiau esančioje lentelėje yra apibendrintų duomenų apie aprašytus mainų protokolus. Kai kurie parametrai, pavyzdžiui, našumas, išreiškiami abstrakčiais: aukštas / žemas. Skaitinius atitikmenis galima rasti veiklos analizės straipsniuose.
|
|
„EtherCAT“
|
POWERLINK
|
PROFINETAS
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fizinis sluoksnis
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Duomenų lygis
|
Kanalas (Ethernet rėmeliai)
|
Kanalas (Ethernet rėmeliai)
|
Kanalas (Ethernet rėmeliai), tinklas/transportas (TCP/IP)
|
Tinklas / transportas (TCP / IP)
|
Tinklas / transportas (TCP / IP)
|
|
Realaus laiko palaikymas
|
Taip
|
Taip
|
Taip
|
Taip
|
Ne
|
|
Našumas
|
Aukštas
|
Aukštas
|
IRT – aukštas, RT – vidutinis
|
Vidutinis
|
Žemas
|
|
Kabelio ilgis tarp mazgų
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Perkėlimo fazės
|
Ne
|
Izochroninis + asinchroninis
|
IRT – izochroninis + asinchroninis, RT – asinchroninis
|
Ne
|
Ne
|
|
Mazgų skaičius
|
65535
|
240
|
TCP/IP tinklo apribojimas
|
TCP/IP tinklo apribojimas
|
TCP/IP tinklo apribojimas
|
|
Susidūrimo raiška
|
Žiedo topologija
|
Laikrodžio sinchronizavimas, perdavimo fazės
|
Žiedo topologija, perdavimo fazės
|
Jungikliai, žvaigždžių topologija
|
Jungikliai, žvaigždžių topologija
|
|
Karštas apsikeitimas
|
Ne
|
Taip
|
Taip
|
Taip
|
Priklausomai nuo įgyvendinimo
|
|
Įrangos kaina
|
Žemas
|
Žemas
|
Aukštas
|
Vidutinis
|
Žemas
|
Aprašytų mainų protokolų, lauko magistralių ir pramoninių tinklų taikymo sritys yra labai įvairios. Nuo chemijos ir automobilių pramonės iki aerokosminių technologijų ir elektronikos gamybos. Didelės spartos mainų protokolai yra paklausūs įvairių įrenginių realiojo laiko padėties nustatymo sistemose ir robotikoje.
Su kokiais protokolais dirbote ir kur juos taikėte? Pasidalinkite savo patirtimi komentaruose. 🙂
Šaltinis: www.habr.com