mÄs runÄjÄm par to, kÄ rÅ«pnieciskajÄ automatizÄcijÄ darbojas autobusi un protokoli. Å oreiz pievÄrsÄ«simies mÅ«sdienÄ«giem darba risinÄjumiem: aplÅ«kosim, kÄdi protokoli tiek izmantoti sistÄmÄs visÄ pasaulÄ. ApskatÄ«sim VÄcijas uzÅÄmumu Beckhoff un Siemens, austrieÅ”u B&R, amerikÄÅu Rockwell Automation un Krievijas Fastwel tehnoloÄ£ijas. MÄs arÄ« pÄtÄ«sim universÄlus risinÄjumus, kas nav piesaistÄ«ti konkrÄtam ražotÄjam, piemÄram, EtherCAT un CAN.
Raksta beigÄs bÅ«s salÄ«dzinÄÅ”anas tabula ar EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP un ModbusTCP protokolu raksturlielumiem.
PÄrskatÄ neiekļÄvÄm PRP, HSR, OPC UA un citus protokolus, jo MÅ«su kolÄÄ£i inženieri, kuri izstrÄdÄ rÅ«pnieciskÄs automatizÄcijas sistÄmas, jau ir rakstÄ«juÅ”i par tiem lieliskus rakstus vietnÄ HabrĆ©. PiemÄram, Šø .
Vispirms definÄsim terminoloÄ£iju: Industrial Ethernet = rÅ«pnieciskais tÄ«kls, Fieldbus = lauka kopne. Krievijas rÅ«pnieciskajÄ automatizÄcijÄ ir neskaidrÄ«bas saistÄ«bÄ ar lauka kopni un zemÄka lÄ«meÅa industriÄlo tÄ«klu. Bieži vien Å”ie termini tiek apvienoti vienÄ, neskaidrÄ jÄdzienÄ, ko sauc par "zemÄko lÄ«meni", kas tiek apzÄ«mÄts gan kÄ lauka kopne, gan apakÅ”lÄ«meÅa kopne, lai gan tÄ var nebÅ«t kopne.
KÄpÄc tÄ?Å Ä« neskaidrÄ«ba, visticamÄk, ir saistÄ«ta ar faktu, ka daudzos mÅ«sdienu kontrolleros I/O moduļu pieslÄgÅ”ana bieži tiek Ä«stenota, izmantojot aizmugurÄjo plakni vai fizisko kopni. Tas ir, noteiktus kopnes kontaktus un savienotÄjus izmanto, lai apvienotu vairÄkus moduļus vienÄ vienÄ«bÄ. Bet Å”Ädus mezglus savukÄrt var savienot gan ar rÅ«pniecisko tÄ«klu, gan ar lauka kopni. Rietumu terminoloÄ£ijÄ ir skaidrs dalÄ«jums: tÄ«kls ir tÄ«kls, autobuss ir autobuss. Pirmais ir apzÄ«mÄts ar terminu Industrial Ethernet, otrais ar Fieldbus. RakstÄ piedÄvÄts Å”iem jÄdzieniem lietot attiecÄ«gi terminus āindustriÄlais tÄ«klsā un terminu ālauka kopneā.
RÅ«pnieciskÄ tÄ«kla standarts EtherCAT, ko izstrÄdÄjis Beckhoff
EtherCAT protokols un rÅ«pnieciskais tÄ«kls, iespÄjams, mÅ«sdienÄs ir viena no ÄtrÄkajÄm datu pÄrraides metodÄm automatizÄcijas sistÄmÄs. EtherCAT tÄ«kls tiek veiksmÄ«gi izmantots izkliedÄtÄs automatizÄcijas sistÄmÄs, kur mijiedarbojoÅ”ie mezgli tiek atdalÄ«ti lielos attÄlumos.
EtherCAT protokols telegrammu pÄrraidÄ«Å”anai izmanto standarta Ethernet kadrus, tÄpÄc tas joprojÄm ir savietojams ar jebkuru standarta Ethernet aprÄ«kojumu un faktiski datu saÅemÅ”anu un pÄrraidi var organizÄt uz jebkura Ethernet kontrollera, ja ir pieejama atbilstoÅ”a programmatÅ«ra.
Beckhoff kontrolleris ar I/O moduļu komplektu. Avots:
Protokola specifikÄcija ir atvÄrta un pieejama, taÄu tikai izstrÄdes asociÄcijas - EtherCAT Technology Group ietvaros.
LÅ«k, kÄ darbojas EtherCAT (izrÄde ir burvÄ«ga, piemÄram, spÄle Zuma Inca):
Lielais apmaiÅas Ätrums Å”ajÄ protokolÄ - un mÄs varam runÄt par mikrosekunžu vienÄ«bÄm - tiek realizÄts tÄpÄc, ka izstrÄdÄtÄji atteicÄs apmainÄ«ties, izmantojot telegrammas, kas tika nosÅ«tÄ«tas tieÅ”i uz konkrÄtu ierÄ«ci. TÄ vietÄ uz EtherCAT tÄ«klu tiek nosÅ«tÄ«ta viena telegramma, kas adresÄta visÄm ierÄ«cÄm vienlaikus, un katrs no informÄcijas vÄkÅ”anas un pÄrsÅ«tÄ«Å”anas vergu mezgliem (tos bieži sauc arÄ« par OSO - objektu komunikÄcijas ierÄ«ci) Åem no tÄ ālidojumÄā. datus, kas tam bija paredzÄti, un ievieto telegrammÄ datus, kurus viÅÅ” ir gatavs sniegt apmaiÅai. PÄc tam telegramma tiek nosÅ«tÄ«ta uz nÄkamo vergu mezglu, kur notiek tÄ pati darbÄ«ba. Izejot cauri visÄm vadÄ«bas ierÄ«cÄm, telegramma tiek atgriezta galvenajÄ kontrollerÄ«, kas, pamatojoties uz datiem, kas saÅemti no pakÄrtotajÄm ierÄ«cÄm, realizÄ vadÄ«bas loÄ£iku, atkal caur telegrammu mijiedarbojoties ar pakÄrtotajiem mezgliem, kas izdod vadÄ«bas signÄlu uz iekÄrtas.
EtherCAT tÄ«klam var bÅ«t jebkura topoloÄ£ija, taÄu bÅ«tÄ«bÄ tas vienmÄr bÅ«s gredzens ā pateicoties pilna dupleksa režīma un divu Ethernet savienotÄju izmantoÅ”anai. TÄdÄ veidÄ telegramma vienmÄr tiks pÄrraidÄ«ta secÄ«gi uz katru kopnes ierÄ«ci.
Shematisks Ethercat tÄ«kla attÄlojums ar vairÄkiem mezgliem. Avots:
Starp citu, EtherCAT specifikÄcija nesatur ierobežojumus fiziskajam slÄnim 100Base-TX, tÄpÄc protokola ievieÅ”ana ir iespÄjama, pamatojoties uz gigabitu un optiskajÄm lÄ«nijÄm.
AtvÄrtie rÅ«pnieciskie tÄ«kli un PROFIBUS/NET standarti no Siemens
VÄcu koncerns Siemens jau sen ir pazÄ«stams ar programmÄjamiem loÄ£iskajiem kontrolleriem (PLC), kurus izmanto visÄ pasaulÄ.
Datu apmaiÅa starp Siemens iekÄrtu kontrolÄtas automatizÄtas sistÄmas mezgliem tiek veikta gan caur lauka kopni ar nosaukumu PROFIBUS, gan PROFINET industriÄlajÄ tÄ«klÄ.
PROFIBUS kopnÄ tiek izmantots Ä«paÅ”s divdzÄ«slu kabelis ar DB-9 savienotÄjiem. Siemens ir violetÄ krÄsÄ, bet praksÄ esam redzÄjuÅ”i citus :). Lai savienotu vairÄkus mezglus, savienotÄjs var savienot divus kabeļus. Tam ir arÄ« terminÄla rezistora slÄdzis. TÄ«kla gala ierÄ«cÄs ir jÄieslÄdz terminÄļa rezistors, tÄdÄjÄdi norÄdot, ka Ŕī ir pirmÄ vai pÄdÄjÄ ierÄ«ce, un pÄc tÄs nav nekÄ, tikai tumsa un tukÅ”ums (visi rs485 darbojas Å”Ädi). Ja ieslÄdzat rezistoru starpsavienojumÄ, tam sekojoÅ”Ä sadaļa tiks izslÄgta.
PROFIBUS kabelis ar savienotÄjiem. Avots:
PROFINET tÄ«klÄ tiek izmantots analogais vÄ«tÄ pÄra kabelis, parasti ar RJ-45 savienotÄjiem, kabelis ir zaÄ¼Ä krÄsÄ. Ja PROFIBUS topoloÄ£ija ir kopne, tad PROFINET tÄ«kla topoloÄ£ija var bÅ«t jebkas: gredzens, zvaigzne, koks vai viss kopÄ.
Siemens kontrolieris ar pievienotu PROFINET kabeli. Avots: w3.siemens.com
PROFIBUS kopnÄ un PROFINET tÄ«klÄ ir vairÄki sakaru protokoli.
PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - Ŕī protokola ievieÅ”ana ietver saziÅu ar attÄlÄm vergu ierÄ«cÄm; PROFINET gadÄ«jumÄ Å”is protokols atbilst PROFINET IO protokolam.
- PROFIBUS PA bÅ«tÄ«bÄ ir tÄds pats kÄ PROFIBUS DP, to izmanto tikai sprÄdziendroÅ”Äm datu pÄrraides un baroÅ”anas avota versijÄm (analogs PROFIBUS DP ar dažÄdÄm fiziskajÄm Ä«paŔībÄm). PROFINET vÄl nepastÄv sprÄdziendroÅ”s protokols, kas bÅ«tu lÄ«dzÄ«gs PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - paredzÄts datu apmaiÅai ar citu ražotÄju sistÄmÄm, kuras nevar izmantot PROFIBUS DP. PROFIBUS FMS analogs PROFINET tÄ«klÄ ir PROFINET CBA protokols.
PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO protokols ir sadalÄ«ts vairÄkÄs klasÄs:
- PROFINET NRT (non-real time) - izmanto lietojumprogrammÄs, kur laika parametri nav kritiski. Tas izmanto Ethernet TCP/IP datu pÄrraides protokolu, kÄ arÄ« UDP/IP.
- PROFINET RT (real time) - Å”eit I/O datu apmaiÅa tiek realizÄta izmantojot Ethernet kadrus, bet diagnostikas un sakaru dati joprojÄm tiek pÄrsÅ«tÄ«ti caur UDP/IP.
- PROFINET IRT (izohronais reÄlais laiks) ā Å”is protokols tika Ä«paÅ”i izstrÄdÄts kustÄ«bas kontroles lietojumprogrammÄm un ietver izohronu datu pÄrsÅ«tÄ«Å”anas fÄzi.
RunÄjot par PROFINET IRT cietÄ reÄllaika protokola ievieÅ”anu, saziÅai ar attÄlÄm ierÄ«cÄm tas izŔķir divus apmaiÅas kanÄlus: izohrono un asinhrono. Izohrons kanÄls ar fiksÄtu apmaiÅas cikla garumu izmanto pulksteÅa sinhronizÄciju un pÄrraida laikÄ kritiskos datus; pÄrraidei tiek izmantotas otrÄ lÄ«meÅa telegrammas. PÄrraides ilgums izohronÄ kanÄlÄ nepÄrsniedz 1 milisekundi.
Asinhronais kanÄls pÄrraida tÄ sauktos reÄllaika datus, kas arÄ« tiek adresÄti, izmantojot MAC adresi. TurklÄt, izmantojot TCP/IP, tiek pÄrsÅ«tÄ«ta dažÄda diagnostikas un palÄ«ginformÄcija. Nedz reÄllaika dati, nedz cita informÄcija, protams, nevar pÄrtraukt izohrono ciklu.
PaplaÅ”inÄtais PROFINET IO funkciju komplekts nav nepiecieÅ”ams katrai industriÄlÄs automatizÄcijas sistÄmai, tÄpÄc Å”is protokols ir mÄrogots konkrÄtam projektam, Åemot vÄrÄ atbilstÄ«bas klases jeb atbilstÄ«bas klases: CC-A, CC-B, CC-CC. AtbilstÄ«bas klases ļauj atlasÄ«t lauka ierÄ«ces un mugurkaula komponentus ar minimÄlo nepiecieÅ”amo funkcionalitÄti.
Avots:
Otrais apmaiÅas protokols PROFINET tÄ«klÄ - PROFINET CBA - tiek izmantots rÅ«pnieciskÄs komunikÄcijas organizÄÅ”anai starp dažÄdu ražotÄju iekÄrtÄm. GalvenÄ ražoÅ”anas vienÄ«ba IAS sistÄmÄs ir noteikta vienÄ«ba, ko sauc par komponentu. Å is komponents parasti ir ierÄ«ces vai instalÄcijas mehÄnisko, elektrisko un elektronisko daļu, kÄ arÄ« saistÄ«tÄs lietojumprogrammatÅ«ras kolekcija. Katrai komponentei tiek izvÄlÄts programmatÅ«ras modulis, kas satur pilnu Ŕī komponenta interfeisa aprakstu atbilstoÅ”i PROFINET standarta prasÄ«bÄm. PÄc tam Å”ie programmatÅ«ras moduļi tiek izmantoti datu apmaiÅai ar ierÄ«cÄm.
B&R Ethernet POWERLINK protokols
Powerlink protokolu 2000. gadu sÄkumÄ izstrÄdÄja Austrijas uzÅÄmums B&R. Å Ä« ir vÄl viena reÄllaika protokola ievieÅ”ana papildus Ethernet standartam. Protokola specifikÄcija ir pieejama un brÄ«vi izplatÄ«ta.
Powerlink tehnoloÄ£ija izmanto tÄ saukto jaukto aptaujas mehÄnismu, kad visa mijiedarbÄ«ba starp ierÄ«cÄm tiek sadalÄ«ta vairÄkÄs fÄzÄs. ÄŖpaÅ”i svarÄ«gi dati tiek pÄrsÅ«tÄ«ti izohronÄs apmaiÅas fÄzÄ, kurai ir konfigurÄts nepiecieÅ”amais reakcijas laiks; pÄrÄjie dati tiks pÄrsÅ«tÄ«ti, kad vien iespÄjams, asinhronajÄ fÄzÄ.
B&R kontrolleris ar I/O moduļu komplektu. Avots: br-automation.com
Protokols sÄkotnÄji tika ieviests virs 100Base-TX fiziskÄ slÄÅa, bet vÄlÄk tika izstrÄdÄta gigabitu ievieÅ”ana.
Powerlink protokols izmanto sakaru plÄnoÅ”anas mehÄnismu. TÄ«klÄ tiek nosÅ«tÄ«ts noteikts marÄ·ieris jeb kontroles ziÅojums, ar kura palÄ«dzÄ«bu tiek noteikts, kurai no ierÄ«cÄm Å”obrÄ«d ir datu apmaiÅas atļauja. VienlaicÄ«gi centrÄlei var piekļūt tikai viena ierÄ«ce.
Shematisks Ethernet POWERLINK tÄ«kla attÄlojums ar vairÄkiem mezgliem.
IzohronÄ fÄzÄ aptaujas kontrolieris secÄ«gi nosÅ«ta pieprasÄ«jumu katram mezglam, no kura tam jÄsaÅem kritiskie dati.
IzohronÄ fÄze tiek veikta, kÄ jau minÄts, ar regulÄjamu cikla laiku. ApmaiÅas asinhronajÄ fÄzÄ tiek izmantots IP protokolu steks, kontrolieris pieprasa nekritiskus datus no visiem mezgliem, kuri nosÅ«ta atbildi, kad tie iegÅ«st piekļuvi pÄrraidei uz tÄ«klu. Laika attiecÄ«bu starp izohrono un asinhrono fÄzi var regulÄt manuÄli.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokols
EtherNet/IP protokols tika izstrÄdÄts, aktÄ«vi piedaloties amerikÄÅu kompÄnijai Rockwell Automation 2000. gadÄ. Tas izmanto TCP un UDP IP steku un paplaÅ”ina to rÅ«pnieciskÄs automatizÄcijas lietojumprogrammÄm. Nosaukuma otrÄ daļa, pretÄji plaÅ”i izplatÄ«tam uzskatam, nenozÄ«mÄ interneta protokolu, bet gan Industrial Protocol. UDP IP izmanto CIP (Common Interface Protocol) sakaru steku, kas tiek izmantota arÄ« ControlNet/DeviceNet tÄ«klos un tiek ieviesta virs TCP/IP.
EtherNet/IP specifikÄcija ir publiski pieejama un brÄ«vi pieejama. Ethernet/IP tÄ«kla topoloÄ£ija var bÅ«t patvaļīga un ietvert gredzenu, zvaigznÄ«ti, koku vai kopni.
Papildus standarta HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokolu funkcijÄm tas nodroÅ”ina laika kritisko datu pÄrsÅ«tÄ«Å”anu starp aptaujas kontrolleri un I/O ierÄ«cÄm. Laika ziÅÄ nenozÄ«mÄ«go datu pÄrraidi nodroÅ”ina TCP paketes, un ciklisko vadÄ«bas datu laikkritiskÄ piegÄde tiek veikta, izmantojot UDP protokolu.
Lai sinhronizÄtu laiku sadalÄ«tajÄs sistÄmÄs, EtherNet/IP izmanto CIPsync protokolu, kas ir CIP sakaru protokola paplaÅ”inÄjums.
Shematisks Ethernet/IP tÄ«kla attÄlojums ar vairÄkiem mezgliem un Modbus ierÄ«Äu pieslÄgumu. Avots:
Lai vienkÄrÅ”otu EtherNet/IP tÄ«kla iestatÄ«Å”anu, lielÄkajai daļai standarta automatizÄcijas ierÄ«Äu ir iepriekÅ” noteikti konfigurÄcijas faili.
FBUS protokola ievieŔana Fastwel
MÄs ilgi domÄjÄm, vai iekļaut Å”ajÄ sarakstÄ Krievijas uzÅÄmumu Fastwel ar FBUS industriÄlÄ protokola iekÅ”zemes ievieÅ”anu, taÄu tad nolÄmÄm uzrakstÄ«t pÄris rindkopas, lai labÄk izprastu importa aizstÄÅ”anas realitÄti.
Ir divas FBUS fiziskÄs realizÄcijas. Viens no tiem ir kopne, kurÄ FBUS protokols darbojas papildus RS485 standartam. TurklÄt ir FBUS ievieÅ”ana rÅ«pnieciskajÄ Ethernet tÄ«klÄ.
FBUS diez vai var saukt par Ätrgaitas protokolu; reakcijas laiks ir ļoti atkarÄ«gs no I/O moduļu skaita kopnÄ un apmaiÅas parametriem, parasti tas svÄrstÄs no 0,5 lÄ«dz 10 milisekundÄm. Viens FBUS vergu mezgls var saturÄt tikai 64 I/O moduļus. Lauka kopnei kabeļa garums nedrÄ«kst pÄrsniegt 1 metru, tÄpÄc mÄs nerunÄjam par sadalÄ«tÄm sistÄmÄm. PareizÄk sakot, tas notiek, bet tikai tad, ja tiek izmantots rÅ«pnieciskais FBUS tÄ«kls, izmantojot TCP/IP, kas nozÄ«mÄ aptaujas laika palielinÄÅ”anos vairÄkas reizes. Moduļu savienoÅ”anai var izmantot autobusu pagarinÄtÄjus, kas ļauj Ärti novietot moduļus automatizÄcijas skapÄ«.
Fastwel kontrolleris ar pievienotiem I/O moduļiem. Avots:
KopÄ: kÄ tas viss tiek izmantots praksÄ automatizÄtÄs procesu vadÄ«bas sistÄmÄs
Protams, mÅ«sdienu industriÄlo datu pÄrsÅ«tÄ«Å”anas protokolu veidu dažÄdÄ«ba ir daudz lielÄka, nekÄ mÄs aprakstÄ«jÄm Å”ajÄ rakstÄ. Daži ir piesaistÄ«ti konkrÄtam ražotÄjam, daži, gluži pretÄji, ir universÄli. IzstrÄdÄjot automatizÄtÄs procesu vadÄ«bas sistÄmas (APCS), inženieris izvÄlas optimÄlos protokolus, Åemot vÄrÄ konkrÄtus uzdevumus un ierobežojumus (tehniskos un budžeta).
Ja mÄs runÄjam par konkrÄta apmaiÅas protokola izplatÄ«bu, mÄs varam sniegt uzÅÄmuma diagrammu HMS Networks AB, kas ilustrÄ dažÄdu apmaiÅas tehnoloÄ£iju tirgus daļas industriÄlajos tÄ«klos.
Avots:
KÄ redzams diagrammÄ, Siemens PRONET un PROFIBUS ieÅem vadoÅ”Äs pozÄ«cijas.
Interesanti, ka pirms 6 gadiem .
TÄlÄk esoÅ”ajÄ tabulÄ ir apkopoti dati par aprakstÄ«tajiem apmaiÅas protokoliem. Daži parametri, piemÄram, veiktspÄja, ir izteikti abstrakti: augsts / zems. Skaitliskus ekvivalentus var atrast veiktspÄjas analÄ«zes rakstos.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fiziskais slÄnis
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Datu līmenis
|
KanÄls (Ethernet rÄmji)
|
KanÄls (Ethernet rÄmji)
|
KanÄls (Ethernet rÄmji), tÄ«kls/transports (TCP/IP)
|
TÄ«kls/Transports (TCP/IP)
|
TÄ«kls/Transports (TCP/IP)
|
|
ReÄllaika atbalsts
|
JÄ
|
JÄ
|
JÄ
|
JÄ
|
NÄ
|
|
ŠŃŠ¾ŠøŠ·Š²Š¾Š“ŠøŃŠµŠ»ŃŠ½Š¾ŃŃŃ
|
Augsts
|
Augsts
|
IRT ā augsts, RT ā vidÄjs
|
VidÄjais
|
Zems
|
|
Kabeļa garums starp mezgliem
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
PÄrsÅ«tÄ«Å”anas fÄzes
|
NÄ
|
Izohrons + asinhrons
|
IRT ā izohrons + asinhrons, RT ā asinhrons
|
NÄ
|
NÄ
|
|
Mezglu skaits
|
65535
|
240
|
TCP/IP tīkla ierobežojums
|
TCP/IP tīkla ierobežojums
|
TCP/IP tīkla ierobežojums
|
|
Sadursmes izŔķirtspÄja
|
Gredzena topoloģija
|
PulksteÅa sinhronizÄcija, pÄrraides fÄzes
|
Gredzena topoloÄ£ija, pÄrraides fÄzes
|
SlÄdži, zvaigžÅu topoloÄ£ija
|
SlÄdži, zvaigžÅu topoloÄ£ija
|
|
KarstÄ maiÅa
|
NÄ
|
JÄ
|
JÄ
|
JÄ
|
AtkarÄ«bÄ no Ä«stenoÅ”anas
|
|
Aprīkojuma izmaksas
|
Zems
|
Zems
|
Augsts
|
VidÄjais
|
Zems
|
AprakstÄ«to apmaiÅas protokolu, lauka kopÅu un industriÄlo tÄ«klu pielietojuma jomas ir ļoti dažÄdas. No Ä·Ä«miskÄs un automobiļu rÅ«pniecÄ«bas lÄ«dz kosmosa tehnoloÄ£ijÄm un elektronikas ražoÅ”anai. Ätrgaitas apmaiÅas protokoli ir pieprasÄ«ti dažÄdu ierÄ«Äu reÄllaika pozicionÄÅ”anas sistÄmÄs un robotikÄ.
Ar kÄdiem protokoliem strÄdÄjÄt un kur tos lietojÄt? Dalieties pieredzÄ komentÄros. š
Avots: www.habr.com