Kajian semula protokol moden dalam sistem automasi industri

Dalam penerbitan sebelum ini kami bercakap tentang cara bas dan protokol berfungsi dalam automasi industri. Kali ini kita akan menumpukan pada penyelesaian kerja moden: kita akan melihat protokol yang digunakan dalam sistem di seluruh dunia. Mari kita pertimbangkan teknologi syarikat Jerman Beckhoff dan Siemens, B&R Austria, Automasi Rockwell Amerika dan Fastwel Rusia. Kami juga akan mengkaji penyelesaian universal yang tidak terikat dengan pengilang tertentu, seperti EtherCAT dan CAN. 

Pada akhir artikel akan ada jadual perbandingan dengan ciri-ciri protokol EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP dan ModbusTCP.

Kami tidak memasukkan protokol PRP, HSR, OPC UA dan lain-lain dalam semakan, kerana Sudah ada artikel yang sangat baik tentang mereka tentang Habré oleh rakan jurutera kami yang sedang membangunkan sistem automasi industri. Sebagai contoh, "Protokol redundansi "lancar" PRP dan HSR" и "Gerbang protokol perindustrian untuk pertukaran data" Linux"Pasang sendiri".

Pertama, mari kita takrifkan istilah: Ethernet Industri = rangkaian industri, Fieldbus = bas medan. Dalam automasi perindustrian Rusia, terdapat kekeliruan dari segi yang berkaitan dengan bas lapangan dan rangkaian perindustrian peringkat rendah. Selalunya istilah ini digabungkan menjadi satu konsep yang samar-samar yang dipanggil "peringkat bawah", yang dirujuk sebagai bas medan dan bas bawah peringkat, walaupun ia mungkin bukan bas sama sekali.

Mengapa begitu?Kekeliruan ini berkemungkinan besar disebabkan oleh fakta bahawa dalam kebanyakan pengawal moden, sambungan modul I/O sering dilaksanakan menggunakan pesawat belakang atau bas fizikal. Iaitu, kenalan dan penyambung bas tertentu digunakan untuk menggabungkan beberapa modul menjadi satu unit. Tetapi nod sedemikian, seterusnya, boleh disambungkan oleh kedua-dua rangkaian industri dan bas lapangan. Dalam terminologi Barat terdapat pembahagian yang jelas: rangkaian adalah rangkaian, bas adalah bas. Yang pertama ditetapkan dengan istilah Ethernet Industri, yang kedua oleh Fieldbus. Artikel tersebut mencadangkan untuk menggunakan istilah "rangkaian industri" dan istilah "bas medan" untuk konsep ini, masing-masing.

Piawaian rangkaian industri EtherCAT, dibangunkan oleh Beckhoff

Protokol EtherCAT dan rangkaian industri mungkin merupakan salah satu kaedah penghantaran data terpantas dalam sistem automasi hari ini. Rangkaian EtherCAT berjaya digunakan dalam sistem automasi teragih, di mana nod berinteraksi dipisahkan dalam jarak yang jauh.

Protokol EtherCAT menggunakan bingkai Ethernet standard untuk menghantar telegramnya, jadi ia kekal serasi dengan mana-mana peralatan Ethernet standard dan, sebenarnya, penerimaan dan penghantaran data boleh diatur pada mana-mana pengawal Ethernet, dengan syarat perisian yang sesuai tersedia.

Pengawal Beckhoff dengan set modul I/O. Sumber: www.beckhoff.de

Spesifikasi protokol terbuka dan tersedia, tetapi hanya dalam rangka kerja persatuan pembangunan - Kumpulan Teknologi EtherCAT.

Begini cara EtherCAT berfungsi (cerminan itu memukau, seperti permainan Zuma Inca):

Kelajuan pertukaran yang tinggi dalam protokol ini - dan kita boleh bercakap tentang unit mikrosaat - direalisasikan kerana fakta bahawa pembangun enggan bertukar menggunakan telegram yang dihantar terus ke peranti tertentu. Sebaliknya, satu telegram dihantar ke rangkaian EtherCAT, dialamatkan kepada semua peranti pada masa yang sama, setiap nod hamba untuk mengumpul dan menghantar maklumat (mereka juga sering dipanggil OSO - peranti komunikasi objek) mengambil daripadanya "dengan cepat" data yang dimaksudkan untuknya dan memasukkan dalam telegram data yang dia sedia sediakan untuk pertukaran. Telegram kemudiannya dihantar ke nod hamba seterusnya, di mana operasi yang sama berlaku. Setelah melalui semua peranti kawalan, telegram dikembalikan kepada pengawal utama, yang, berdasarkan data yang diterima daripada peranti hamba, melaksanakan logik kawalan, sekali lagi berinteraksi melalui telegram dengan nod hamba, yang mengeluarkan isyarat kawalan kepada peralatan.

Rangkaian EtherCAT boleh mempunyai sebarang topologi, tetapi pada dasarnya ia akan sentiasa menjadi cincin - disebabkan penggunaan mod dupleks penuh dan dua penyambung Ethernet. Dengan cara ini, telegram akan sentiasa dihantar secara berurutan ke setiap peranti di dalam bas.

Perwakilan skematik rangkaian Ethercat dengan berbilang nod. Sumber: realpars.com

Ngomong-ngomong, spesifikasi EtherCAT tidak mengandungi sekatan pada lapisan fizikal 100Base-TX, jadi pelaksanaan protokol mungkin berdasarkan gigabit dan talian optik.

Rangkaian industri terbuka dan standard PROFIBUS/NET dari Siemens

Kebimbangan Jerman Siemens telah lama terkenal dengan pengawal logik boleh atur cara (PLC), yang digunakan di seluruh dunia.

Pertukaran data antara nod sistem automatik yang dikawal oleh peralatan Siemens dijalankan melalui bas lapangan yang dipanggil PROFIBUS dan dalam rangkaian industri PROFINET.

Bas PROFIBUS menggunakan kabel dua teras khas dengan penyambung DB-9. Siemens mempunyainya dalam warna ungu, tetapi kami telah melihat orang lain dalam amalan :). Untuk menyambung berbilang nod, penyambung boleh menyambungkan dua kabel. Ia juga mempunyai suis untuk perintang terminal. Perintang terminal mesti dihidupkan pada peranti akhir rangkaian, dengan itu menunjukkan bahawa ini adalah peranti pertama atau terakhir, dan selepas itu tidak ada apa-apa, hanya kegelapan dan kekosongan (semua rs485 berfungsi seperti ini). Jika anda menghidupkan perintang pada penyambung perantaraan, bahagian yang mengikutinya akan dimatikan.

Kabel PROFIBUS dengan penyambung penyambung. Sumber: VIPA ControlsAmerica

Rangkaian PROFINET menggunakan kabel pasangan terpiuh analog, biasanya dengan penyambung RJ-45, kabel berwarna hijau. Jika topologi PROFIBUS ialah bas, maka topologi rangkaian PROFINET boleh menjadi apa-apa sahaja: cincin, bintang, pokok, atau semuanya digabungkan.

Pengawal Siemens dengan kabel PROFINET yang disambungkan. Sumber: w3.siemens.com

Terdapat beberapa protokol komunikasi pada bas PROFIBUS dan dalam rangkaian PROFINET.

Untuk PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - pelaksanaan protokol ini melibatkan komunikasi dengan peranti hamba jauh; dalam kes PROFINET, protokol ini sepadan dengan protokol PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA pada asasnya adalah sama dengan PROFIBUS DP, hanya digunakan untuk versi kalis letupan penghantaran data dan bekalan kuasa (bersamaan dengan PROFIBUS DP dengan sifat fizikal yang berbeza). Untuk PROFINET, protokol kalis letupan yang serupa dengan PROFIBUS belum lagi wujud.
3. PROFIBUS FMS - direka untuk pertukaran data dengan sistem daripada pengeluar lain yang tidak boleh menggunakan PROFIBUS DP. Analog PROFIBUS FMS dalam rangkaian PROFINET ialah protokol PROFINET CBA.

Untuk PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol PROFINET IO dibahagikan kepada beberapa kelas:

• PROFINET NRT (bukan masa nyata) digunakan dalam aplikasi yang mana masa tidak kritikal. Ia menggunakan protokol pemindahan data Ethernet. TCP/IP, serta UDP/IP.
• PROFINET RT (masa nyata) - di sini pertukaran data I/O dilaksanakan menggunakan bingkai Ethernet, tetapi data diagnostik dan komunikasi masih dipindahkan melalui UDP/IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Protokol ini dibangunkan khusus untuk aplikasi kawalan gerakan dan termasuk fasa pemindahan data isokron.

Bagi pelaksanaan protokol masa nyata keras PROFINET IRT, untuk komunikasi dengan peranti jauh ia membezakan dua saluran pertukaran: isochronous dan asynchronous. Saluran isokron dengan panjang kitaran pertukaran tetap menggunakan penyegerakan jam dan menghantar data kritikal masa digunakan untuk penghantaran. Tempoh penghantaran dalam saluran isokron tidak melebihi 1 milisaat.

Saluran tak segerak menghantar apa yang dipanggil data masa nyata, yang juga dialamatkan melalui alamat MAC. Di samping itu, pelbagai maklumat diagnostik dan tambahan dihantar melalui bahagian atas. TCP/IPSudah tentu, data masa nyata mahupun maklumat lain tidak boleh mengganggu kitaran isokron.

Set lanjutan fungsi PROFINET IO tidak diperlukan untuk setiap sistem automasi industri, jadi protokol ini diskalakan untuk projek tertentu, dengan mengambil kira kelas pematuhan atau kelas pematuhan: CC-A, CC-B, CC-CC. Kelas pematuhan membolehkan anda memilih peranti medan dan komponen tulang belakang dengan fungsi minimum yang diperlukan. 

Sumber: Pelajaran universiti PROFINET

Protokol pertukaran kedua dalam rangkaian PROFINET - PROFINET CBA - digunakan untuk mengatur komunikasi industri antara peralatan daripada pengeluar yang berbeza. Unit pengeluaran utama dalam sistem IAS ialah entiti tertentu yang dipanggil komponen. Komponen ini biasanya merupakan koleksi bahagian mekanikal, elektrik dan elektronik peranti atau pemasangan, serta perisian aplikasi yang berkaitan. Bagi setiap komponen, modul perisian dipilih yang mengandungi penerangan lengkap antara muka komponen ini mengikut keperluan standard PROFINET. Selepas itu modul perisian ini digunakan untuk menukar data dengan peranti. 

Protokol B&R Ethernet POWERLINK

Protokol Powerlink telah dibangunkan oleh syarikat Austria B&R pada awal 2000-an. Ini adalah satu lagi pelaksanaan protokol masa nyata di atas standard Ethernet. Spesifikasi protokol tersedia dan diedarkan secara bebas. 

Teknologi Powerlink menggunakan mekanisme undian bercampur yang dipanggil, apabila semua interaksi antara peranti dibahagikan kepada beberapa fasa. Data kritikal terutamanya dihantar dalam fasa pertukaran isokron, yang mana masa tindak balas yang diperlukan dikonfigurasikan, jika boleh, data yang selebihnya akan dihantar, dalam fasa tak segerak.

Pengawal B&R dengan set modul I/O. Sumber: br-automation.com

Protokol ini pada asalnya dilaksanakan di atas lapisan fizikal 100Base-TX, tetapi kemudiannya pelaksanaan gigabit telah dibangunkan.

Protokol Powerlink menggunakan mekanisme penjadualan komunikasi. Penanda atau mesej kawalan tertentu dihantar ke rangkaian, dengan bantuan yang mana ia menentukan peranti mana yang pada masa ini mempunyai kebenaran untuk bertukar data. Hanya satu peranti boleh mempunyai akses kepada pertukaran pada satu masa.

Perwakilan skematik rangkaian Ethernet POWERLINK dengan berbilang nod.

Dalam fasa isochronous, pengawal pengundian secara berurutan menghantar permintaan kepada setiap nod yang diperlukan untuk menerima data kritikal. 

Fasa isochronous dilakukan, seperti yang telah disebutkan, dengan masa kitaran boleh laras. Dalam fasa tak segerak pertukaran, timbunan protokol IP digunakan, pengawal meminta data bukan kritikal daripada semua nod, yang menghantar respons apabila mereka mendapat akses untuk menghantar ke rangkaian. Nisbah masa antara fasa isokron dan tak segerak boleh dilaraskan secara manual.

Rockwell Automation Ethernet/IP Protocol

Protokol EtherNet/IP telah dibangunkan dengan penyertaan aktif syarikat Amerika Rockwell Automation pada tahun 2000. Ia menggunakan susunan IP TCP dan UDP dan melanjutkannya untuk kegunaan dalam automasi perindustrian. Bahagian kedua nama itu, bertentangan dengan kepercayaan popular, bukan bermaksud Protokol Internet, tetapi untuk Protokol Perindustrian. IP UDP menggunakan susunan komunikasi CIP (Protokol Antara Muka Biasa), yang juga digunakan dalam rangkaian ControlNet / DeviceNet dan dilaksanakan di atas TCP/IP.

Spesifikasi EtherNet/IP tersedia secara umum dan tersedia secara bebas. Topologi rangkaian Ethernet/IP boleh sewenang-wenangnya dan termasuk cincin, bintang, pokok atau bas.

Sebagai tambahan kepada fungsi standard protokol HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, ia melaksanakan pemindahan data kritikal masa antara pengawal pengundian dan peranti I/O. Penghantaran data bukan masa kritikal disediakan oleh paket TCP, dan penghantaran masa kritikal data kawalan kitaran dijalankan melalui protokol UDP. 

Untuk menyegerakkan masa dalam sistem teragih, EtherNet/IP menggunakan protokol CIPsync, yang merupakan lanjutan daripada protokol komunikasi CIP.

Perwakilan skematik rangkaian Ethernet/IP dengan beberapa nod dan sambungan peranti Modbus. Sumber: www.icpdas.com.tw

Untuk memudahkan persediaan rangkaian EtherNet/IP, kebanyakan peranti automasi standard disertakan dengan fail konfigurasi yang telah ditetapkan.

Pelaksanaan protokol FBUS di Fastwel

Kami berfikir untuk masa yang lama sama ada untuk memasukkan syarikat Rusia Fastwel dalam senarai ini dengan pelaksanaan domestik protokol industri FBUS, tetapi kemudian kami memutuskan untuk menulis beberapa perenggan untuk pemahaman yang lebih baik tentang realiti penggantian import.

Terdapat dua pelaksanaan fizikal FBUS. Salah satunya ialah bas di mana protokol FBUS berjalan di atas standard RS485. Di samping itu, terdapat pelaksanaan FBUS dalam rangkaian Ethernet industri.

FBUS tidak boleh dipanggil protokol berkelajuan tinggi; masa tindak balas sangat bergantung pada bilangan modul I/O pada bas dan parameter pertukaran, biasanya antara 0,5 hingga 10 milisaat. Satu nod hamba FBUS hanya boleh mengandungi 64 modul I/O. Untuk bas medan, panjang kabel tidak boleh melebihi 1 meter, jadi sistem teragih tidak mungkin digunakan. Memang sesuai, tetapi hanya apabila menggunakan rangkaian FBUS perindustrian melalui TCP/IP, yang bermaksud peningkatan beberapa kali ganda dalam masa pengundian. Pemanjang bas boleh digunakan untuk menyambungkan modul, membolehkan penempatan yang mudah dalam kabinet automasi.

Pengawal Fastwel dengan modul I/O yang disambungkan. Sumber: Kejuruteraan Kawalan Rusia

Jumlah: bagaimana semua ini digunakan dalam amalan dalam sistem kawalan proses automatik

Sememangnya, kepelbagaian jenis protokol pemindahan data industri moden adalah lebih besar daripada yang kami terangkan dalam artikel ini. Ada yang terikat dengan pengeluar tertentu, ada yang, sebaliknya, adalah universal. Apabila membangunkan sistem kawalan proses automatik (APCS), jurutera memilih protokol yang optimum, dengan mengambil kira tugas dan batasan tertentu (teknikal dan belanjawan).

Jika kita bercakap tentang kelaziman protokol pertukaran tertentu, kita boleh menyediakan gambar rajah syarikat HMS Networks AB, yang menggambarkan bahagian pasaran pelbagai teknologi pertukaran dalam rangkaian perindustrian.

Sumber: HMS Networks AB

Seperti yang dapat dilihat dalam rajah, PRONET dan PROFIBUS dari Siemens menduduki kedudukan utama.

Menariknya, 6 tahun lalu 60% daripada pasaran telah diduduki oleh PROFINET dan protokol Ethernet/IP.

Jadual di bawah mengandungi data ringkasan tentang protokol pertukaran yang diterangkan. Beberapa parameter, sebagai contoh, prestasi, dinyatakan dalam istilah abstrak: tinggi / rendah. Persamaan berangka boleh didapati dalam artikel analisis prestasi. 

Bidang penggunaan protokol pertukaran yang diterangkan, bas lapangan dan rangkaian industri adalah sangat pelbagai. Daripada industri kimia dan automotif kepada teknologi aeroangkasa dan pembuatan elektronik. Protokol pertukaran berkelajuan tinggi dalam permintaan dalam sistem kedudukan masa nyata untuk pelbagai peranti dan dalam robotik.

Apakah protokol yang anda gunakan dan di mana anda menggunakannya? Kongsi pengalaman anda dalam komen. 🙂

Sumber: www.habr.com