Преглед на современи протоколи во системи за индустриска автоматизација

Во претходната публикација разговаравме за тоа како функционираат автобусите и протоколите во индустриската автоматизација. Овој пат ќе се фокусираме на модерни работни решенија: ќе погледнеме кои протоколи се користат во системите ширум светот. Да ги разгледаме технологиите на германските компании Beckhoff и Siemens, австриската B&R, американската Rockwell Automation и рускиот Fastwel. Ќе проучуваме и универзални решенија кои не се врзани за одреден производител, како што се EtherCAT и CAN. 

На крајот од статијата ќе има споредба табела со карактеристиките на протоколите EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Во прегледот не ги вклучивме протоколите PRP, HSR, OPC UA и други, затоа што Веќе има одлични написи за нив на Habré од нашите колеги инженери кои развиваат системи за индустриска автоматизација. На пример, „PRP и HSR „беспрекорни“ протоколи за вишок“ и „Портите на протоколи за индустриска размена на Linux. Соберете го сами“.

Прво, да ја дефинираме терминологијата: Industrial Ethernet = индустриска мрежа, Fieldbus = теренски автобус. Во руската индустриска автоматизација, постои забуна во однос на теренската автобуска и индустриската мрежа од пониско ниво. Честопати овие термини се комбинираат во еден единствен, нејасен концепт наречен „пониско ниво“, кој се нарекува и фледбус и магистрала на подниво, иако можеби воопшто не е магистрала.

Зошто така?Оваа конфузија најверојатно се должи на фактот дека во многу современи контролери, поврзувањето на I/O модулите често се имплементира со помош на задна рамнина или физичка магистрала. Односно, одредени автобуски контакти и конектори се користат за комбинирање на неколку модули во една единица. Но, таквите јазли, пак, можат да бидат меѓусебно поврзани и со индустриска мрежа и со теренска магистрала. Во западната терминологија постои јасна поделба: мрежата е мрежа, автобусот е автобус. Првиот е означен со терминот Industrial Ethernet, вториот со Fieldbus. Во написот се предлага да се користи терминот „индустриска мрежа“ и терминот „field bus“ за овие концепти, соодветно.

Стандард за индустриска мрежа EtherCAT, развиен од Бекхоф

Протоколот EtherCAT и индустриската мрежа се можеби еден од најбрзите методи за пренос на податоци во системите за автоматизација денес. Мрежата EtherCAT успешно се користи во дистрибуирани системи за автоматизација, каде што интерактивните јазли се одвоени на долги растојанија.

Протоколот EtherCAT користи стандардни етернет рамки за пренос на своите телеграми, така што останува компатибилен со која било стандардна етернет опрема и, всушност, приемот и преносот на податоците може да се организираат на кој било етернет контролер, под услов да е достапен соодветен софтвер.

Контролер Beckhoff со сет на I/O модули. Извор: www.beckhoff.de

Спецификацијата на протоколот е отворена и достапна, но само во рамките на развојната асоцијација - EtherCAT Technology Group.

Еве како функционира EtherCAT (спектаклот е воодушевувачки, како играта Зума Инка):

Високата брзина на размена во овој протокол - и можеме да зборуваме за единици од микросекунди - се реализира поради фактот што програмерите одбија да разменат користејќи телеграми испратени директно до одреден уред. Наместо тоа, една телеграма се испраќа до мрежата EtherCAT, адресирана до сите уреди во исто време, секој од робовите јазли за собирање и пренесување информации (тие често се нарекуваат и OSO - објект за комуникациски уред) зема од него „во лет“. податоците што му биле наменети и во телеграма ги вметнува податоците што е подготвен да ги обезбеди за размена. Телеграмата потоа се испраќа до следниот slave јазол, каде што се случува истата операција. Поминувајќи низ сите контролни уреди, телеграмата се враќа во главниот контролер, кој врз основа на податоците добиени од slave уредите, ја спроведува контролната логика, повторно во интеракција преку телеграмата со slave јазлите, кои издаваат контролен сигнал до опремата.

Мрежата EtherCAT може да има секаква топологија, но во суштина таа секогаш ќе биде прстен - поради употребата на целосно дуплекс режим и два етернет конектори. На овој начин, телеграмата секогаш ќе се пренесува последователно до секој уред во магистралата.

Шематски приказ на Ethercat мрежа со повеќе јазли. Извор: realpars.com

Патем, спецификацијата EtherCAT не содржи ограничувања на физичкиот слој 100Base-TX, така што имплементацијата на протоколот е можна врз основа на гигабитни и оптички линии.

Отворени индустриски мрежи и PROFIBUS/NET стандарди од Siemens

Германскиот концерн Сименс одамна е познат по своите програмабилни логички контролери (PLC), кои се користат низ целиот свет.

Размената на податоци помеѓу јазлите на автоматизираниот систем контролиран од опремата на Сименс се врши и преку теренска магистрала наречена PROFIBUS и во индустриската мрежа PROFINET.

Автобусот PROFIBUS користи специјален двожилен кабел со DB-9 конектори. Сименс го има во виолетова, но други сме виделе во пракса :). За поврзување на повеќе јазли, конектор може да поврзе два кабли. Има и прекинувач за терминалниот отпорник. Терминалниот отпорник мора да биде вклучен на крајните уреди на мрежата, со што се покажува дека ова е првиот или последниот уред, а после него нема ништо, само темнина и празнина (сите rs485 работат вака). Ако вклучите отпорник на средниот конектор, делот што следи по него ќе се исклучи.

PROFIBUS кабел со конектори за поврзување. Извор: VIPA ControlsAmerica

Мрежата PROFINET користи аналоген кабел со искривен пар, обично со RJ-45 конектори, кабелот е обоен во зелена боја. Ако топологијата на PROFIBUS е магистрала, тогаш топологијата на мрежата PROFINET може да биде што било: прстен, ѕвезда, дрво или сè комбинирано.

Сименс контролер со поврзан PROFINET кабел. Извор: w3.siemens.com

Постојат неколку протоколи за комуникација на магистралата PROFIBUS и во мрежата на PROFINET.

За PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - имплементацијата на овој протокол вклучува комуникација со далечински slave уреди; во случајот на PROFINET, овој протокол одговара на протоколот PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA е во суштина ист како PROFIBUS DP, се користи само за верзии отпорни на експлозија на пренос на податоци и напојување (аналогно на PROFIBUS DP со различни физички својства). За PROFINET, протокол отпорен на експлозија сличен на PROFIBUS сè уште не постои.
3. PROFIBUS FMS - дизајниран за размена на податоци со системи од други производители кои не можат да користат PROFIBUS DP. Аналогот PROFIBUS FMS во мрежата PROFINET е протоколот PROFINET CBA.

За PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Протоколот PROFINET IO е поделен на неколку класи:

• PROFINET NRT (не-реално време) - се користи во апликации каде параметрите за тајминг не се критични. Го користи Ethernet TCP/IP протоколот за пренос на податоци, како и UDP/IP.
• PROFINET RT (во реално време) - овде I/O размената на податоци се спроведува со користење на Ethernet рамки, но дијагностичките и комуникациските податоци сè уште се пренесуваат преку UDP/IP. 
• PROFINET IRT (изохроно реално време) - Овој протокол е развиен специјално за апликации за контрола на движење и вклучува фаза на изохрон пренос на податоци.

Што се однесува до имплементацијата на протоколот PROFINET IRT тешко во реално време, за комуникации со далечински уреди тој разликува два канали за размена: изохрони и асинхрони. Изохрониот канал со фиксна должина на циклусот на размена користи синхронизација на часовникот и пренесува временски критични податоци; телеграмите од второ ниво се користат за пренос. Времетраењето на преносот во изохрон канал не надминува 1 милисекунда.

Асинхрониот канал пренесува таканаречени податоци во реално време, кои исто така се адресираат преку MAC адреса. Дополнително, разни дијагностички и помошни информации се пренесуваат преку TCP/IP. Ниту податоците во реално време, а уште помалку други информации, се разбира, не можат да го прекинат изохрониот циклус.

Проширениот сет на функции PROFINET IO не е потребен за секој систем за индустриска автоматизација, така што овој протокол е скалиран за одреден проект, земајќи ги предвид класите на усогласеност или класите на усогласеност: CC-A, CC-B, CC-CC. Класите на усогласеност ви овозможуваат да изберете теренски уреди и компоненти на 'рбетот со минималната потребна функционалност. 

Извор: Универзитетска лекција PROFINET

Вториот протокол за размена во мрежата PROFINET - PROFINET CBA - се користи за организирање на индустриска комуникација помеѓу опрема од различни производители. Главната производна единица во системите на МСС е одреден ентитет наречен компонента. Оваа компонента обично е збирка на механички, електрични и електронски делови на уред или инсталација, како и поврзан апликативен софтвер. За секоја компонента се избира софтверски модул кој содржи целосен опис на интерфејсот на оваа компонента во согласност со барањата на PROFINET стандардот. По што овие софтверски модули се користат за размена на податоци со уреди. 

B&R Ethernet POWERLINK протокол

Протоколот Powerlink беше развиен од австриската компанија B&R во раните 2000-ти. Ова е уште една имплементација на протокол во реално време на врвот на етернет стандардот. Спецификацијата на протоколот е достапна и се дистрибуира слободно. 

Технологијата Powerlink користи таканаречен механизам за мешано гласање, кога целата интеракција помеѓу уредите е поделена во неколку фази. Особено критичните податоци се пренесуваат во фазата на изохрона размена, за која е конфигурирано потребното време на одговор; преостанатите податоци ќе се пренесуваат, секогаш кога е можно, во асинхроната фаза.

B&R контролер со сет на I/O модули. Извор: br-automation.com

Протоколот првично беше имплементиран на врвот на физичкиот слој 100Base-TX, но подоцна беше развиена гигабитна имплементација.

Протоколот Powerlink користи механизам за закажување на комуникација. На мрежата се испраќа одреден маркер или контролна порака со чија помош се одредува кој од уредите моментално има дозвола за размена на податоци. Само еден уред може да има пристап до централата во исто време.

Шематски приказ на Ethernet POWERLINK мрежа со повеќе јазли.

Во изохроната фаза, контролорот за анкетирање последователно испраќа барање до секој јазол од кој треба да прима критични податоци. 

Изохроната фаза се изведува, како што веќе беше споменато, со прилагодливо време на циклус. Во асинхроната фаза на размена, се користи оџакот на IP протокол, контролорот бара некритични податоци од сите јазли, кои испраќаат одговор додека добиваат пристап за пренос до мрежата. Временскиот сооднос помеѓу изохроните и асинхроните фази може да се прилагоди рачно.

Rockwell Automation Ethernet/IP протокол

Протоколот EtherNet/IP беше развиен со активно учество на американската компанија Rockwell Automation во 2000 година. Го користи оџакот TCP и UDP IP и го проширува за апликации за индустриска автоматизација. Вториот дел од името, спротивно на популарното верување, не значи Интернет протокол, туку Индустриски протокол. UDP IP користи комуникациски стек CIP (Common Interface Protocol), кој исто така се користи во мрежите ControlNet/DeviceNet и се имплементира на врвот на TCP/IP.

Спецификацијата за EtherNet/IP е јавно достапна и слободно достапна. Топологијата на Ethernet/IP мрежата може да биде произволна и да вклучува прстен, ѕвезда, дрво или автобус.

Покрај стандардните функции на протоколите HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, тој имплементира пренос на временски критични податоци помеѓу контролорот за гласање и I/O уредите. Преносот на некритичните податоци е обезбеден од TCP пакетите, а временски-критичното доставување на цикличните контролни податоци се врши преку протоколот UDP. 

За да го синхронизирате времето во дистрибуираните системи, EtherNet/IP го користи протоколот CIPsync, кој е продолжување на протоколот за комуникација CIP.

Шематски приказ на Ethernet/IP мрежа со неколку јазли и поврзување на Modbus уреди. Извор: www.icpdas.com.tw

За да се поедностави поставувањето на мрежата EtherNet/IP, повеќето стандардни уреди за автоматизација доаѓаат со претходно дефинирани конфигурациски датотеки.

Имплементација на протоколот FBUS во Fastwel

Долго време размислувавме дали да ја вклучиме руската компанија Fastwel во оваа листа со нејзината домашна имплементација на индустрискиот протокол FBUS, но потоа решивме да напишеме неколку параграфи за подобро разбирање на реалноста на замена на увозот.

Постојат две физички имплементации на FBUS. Еден од нив е автобус во кој протоколот FBUS работи на врвот на стандардот RS485. Дополнително, постои имплементација на FBUS во индустриска етернет мрежа.

FBUS тешко може да се нарече протокол со голема брзина; времето на одговор силно зависи од бројот на I/O модули на магистралата и од параметрите за размена; обично се движи од 0,5 до 10 милисекунди. Еден FBUS slave јазол може да содржи само 64 I/O модули. За филдбус, должината на кабелот не може да надмине 1 метар, така што не зборуваме за дистрибуирани системи. Поточно, тоа го прави, но само кога се користи индустриска FBUS мрежа преку TCP/IP, што значи неколкукратно зголемување на времето за гласање. Продолжните кабли на автобусот може да се користат за поврзување на модули, што овозможува практично поставување на модулите во кабинетот за автоматизација.

Fastwel контролер со поврзани В/И модули. Извор: Контролно инженерство Русија

Вкупно: како сето ова се користи во пракса во автоматизирани системи за контрола на процесите

Секако, разновидноста на видовите современи протоколи за пренос на податоци во индустријата е многу поголема отколку што опишавме во оваа статија. Некои се врзани за одреден производител, некои, напротив, се универзални. При развивање на автоматизирани системи за контрола на процесите (APCS), инженерот ги избира оптималните протоколи, земајќи ги предвид специфичните задачи и ограничувања (технички и буџетски).

Ако зборуваме за распространетоста на одреден протокол за размена, можеме да обезбедиме дијаграм на компанијата HMS Networks AB, што ги илустрира пазарните удели на различни технологии за размена во индустриските мрежи.

Извор: HMS Networks AB

Како што може да се види на дијаграмот, PRONET и PROFIBUS од Siemens ги заземаат водечките позиции.

Интересно, пред 6 години 60% од пазарот беше окупиран од PROFINET и Ethernet/IP протоколите.

Табелата подолу содржи збирни податоци за опишаните протоколи за размена. Некои параметри, на пример, перформанси, се изразени во апстрактни термини: високо / ниско. Нумерички еквиваленти може да се најдат во статиите за анализа на перформансите. 

	EtherCAT	POWERLINK	ПРОФИНЕТ	Етернет/ИП	ModbusTCP
Физички слој	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
Ниво на податоци	Канал (Етернет рамки)	Канал (Етернет рамки)	Канал (Ethernet рамки), Мрежа/транспорт (TCP/IP)	Мрежа/Транспорт (TCP/IP)	Мрежа/Транспорт (TCP/IP)
Поддршка во реално време	Да	Да	Да	Да	Не
Перформанси	Висок	Висок	IRT – високо, RT – средно	Просечната	Ниско
Должина на кабелот помеѓу јазлите	100m	100м/2км	100m	100m	100m
Трансфер фази	Не	Изохрон + асинхрон	IRT – изохрон + асинхрон, RT – асинхрон	Не	Не
Број на јазли	65535	240	Ограничување на мрежата TCP/IP	Ограничување на мрежата TCP/IP	Ограничување на мрежата TCP/IP
Резолуција на судир	Топологија на прстенот	Синхронизација на часовникот, фази на пренос	Топологија на прстенот, фази на пренос	Прекинувачи, топологија на ѕвезди	Прекинувачи, топологија на ѕвезди
Жешка размена	Не	Да	Да	Да	Во зависност од имплементацијата
Цена на опрема	Ниско	Ниско	Висок	Просечната	Ниско

Областите на примена на опишаните протоколи за размена, теренските автобуси и индустриските мрежи се многу разновидни. Од хемиската и автомобилската индустрија до воздушната технологија и производството на електроника. Протоколите за размена со голема брзина се барани во системите за позиционирање во реално време за различни уреди и во роботиката.

Со кои протоколи работевте и каде ги применувавте? Споделете го вашето искуство во коментарите. 🙂

Извор: www.habr.com