Reviżjoni ta 'protokolli moderni f'sistemi ta' awtomazzjoni industrijali

Fil-pubblikazzjoni preċedenti tkellimna dwar kif jaħdmu l-karozzi tal-linja u l-protokolli fl-awtomazzjoni industrijali. Din id-darba se niffukaw fuq soluzzjonijiet ta' ħidma moderni: se nħarsu lejn liema protokolli jintużaw fis-sistemi madwar id-dinja. Ejja nikkunsidraw it-teknoloġiji tal-kumpaniji Ġermaniżi Beckhoff u Siemens, il-B&R Awstrijak, l-Amerikana Rockwell Automation u r-Russu Fastwel. Se nistudjaw ukoll soluzzjonijiet universali li mhumiex marbuta ma' manifattur speċifiku, bħal EtherCAT u CAN. 

Fl-aħħar tal-artiklu se jkun hemm tabella ta 'tqabbil bil-karatteristiċi tal-protokolli EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP u ModbusTCP.

Aħna ma inkludewx PRP, HSR, OPC UA u protokolli oħrajn fir-reviżjoni, minħabba li Diġà hemm artikli eċċellenti dwarhom fuq Habré minn sħabna inġiniera li qed jiżviluppaw sistemi ta 'awtomazzjoni industrijali. Pereżempju, "Protokolli ta' redundancy "mingħajr" PRP u HSR" и “Bibien ta’ protokolli ta’ skambju industrijali fuq Linux. Armah lilek innifsek".

L-ewwel, ejja niddefinixxu t-terminoloġija: Industrial Ethernet = netwerk industrijali, Fieldbus = field bus. Fl-awtomazzjoni industrijali Russa, hemm konfużjoni f'termini relatati mal-field bus u n-netwerk industrijali ta 'livell aktar baxx. Ħafna drabi dawn it-termini huma magħquda f'kunċett wieħed u vag imsejjaħ "livell aktar baxx", li jissejjaħ kemm fieldbus kif ukoll xarabank sublevel, għalkemm jista 'ma jkun xarabank xejn.

Għaliex?Din il-konfużjoni hija x'aktarx minħabba l-fatt li f'ħafna kontrolluri moderni, il-konnessjoni tal-moduli I/O spiss tiġi implimentata bl-użu ta 'backplane jew xarabank fiżika. Jiġifieri, ċerti kuntatti tax-xarabank u konnetturi jintużaw biex jgħaqqdu diversi moduli f'unità waħda. Iżda nodi bħal dawn, min-naħa tagħhom, jistgħu jiġu interkonnessi kemm minn netwerk industrijali kif ukoll minn field bus. Fit-terminoloġija tal-Punent hemm diviżjoni ċara: netwerk huwa netwerk, xarabank hija xarabank. L-ewwel huwa indikat bit-terminu Industrial Ethernet, it-tieni minn Fieldbus. L-artikolu jipproponi li jintuża t-terminu "netwerk industrijali" u t-terminu "field bus" għal dawn il-kunċetti, rispettivament.

L-istandard tan-netwerk industrijali EtherCAT, żviluppat minn Beckhoff

Il-protokoll EtherCAT u n-netwerk industrijali huwa forsi wieħed mill-aktar metodi mgħaġġla ta 'trażmissjoni tad-dejta fis-sistemi ta' awtomazzjoni llum. In-netwerk EtherCAT jintuża b'suċċess f'sistemi ta 'awtomazzjoni distribwita, fejn in-nodi li jinteraġixxu huma separati fuq distanzi twal.

Il-protokoll EtherCAT juża frejms Ethernet standard biex jittrasmetti t-telegrammi tiegħu, u għalhekk jibqa 'kompatibbli ma' kwalunkwe tagħmir Ethernet standard u, fil-fatt, ir-riċeviment u t-trażmissjoni tad-dejta jistgħu jiġu organizzati fuq kwalunkwe kontrollur Ethernet, sakemm is-softwer xieraq ikun disponibbli.

Kontrollur Beckhoff b'sett ta' moduli I/O. Sors: www.beckhoff.de

L-ispeċifikazzjoni tal-protokoll hija miftuħa u disponibbli, iżda biss fil-qafas tal-assoċjazzjoni tal-iżvilupp - EtherCAT Technology Group.

Hawn kif jaħdem EtherCAT (l-ispettaklu huwa mesmerizing, bħall-logħba Zuma Inca):

Il-veloċità għolja tal-iskambju f'dan il-protokoll - u nistgħu nitkellmu dwar unitajiet ta 'mikrosekondi - hija realizzata minħabba l-fatt li l-iżviluppaturi rrifjutaw li jiskambjaw bl-użu ta' telegrammi mibgħuta direttament lil apparat speċifiku. Minflok, telegramma waħda tintbagħat lin-netwerk EtherCAT, indirizzata lill-apparati kollha fl-istess ħin, kull wieħed min-nodi skjavi għall-ġbir u t-trażmissjoni ta 'informazzjoni (spiss jissejħu wkoll OSO - apparat ta' komunikazzjoni ta 'oġġett) jieħu minnu "fuq il-fly" id-data li kienet maħsuba għaliha u jdaħħal f'telegramma d-data li huwa lest li jipprovdi għall-iskambju. It-telegramma mbagħad tintbagħat lin-node slave li jmiss, fejn isseħħ l-istess operazzjoni. Wara li għaddiet mill-apparati ta 'kontroll kollha, it-telegramma tiġi rritornata lill-kontrollur prinċipali, li, ibbażat fuq id-dejta riċevuta mill-apparati slave, jimplimenta l-loġika ta' kontroll, għal darb'oħra jinteraġixxi permezz tat-telegramma man-nodi skjavi, li joħorġu sinjal ta 'kontroll biex it-tagħmir.

Netwerk EtherCAT jista 'jkollu kwalunkwe topoloġija, iżda essenzjalment dejjem se jkun ċirku - minħabba l-użu ta' modalità full duplex u żewġ konnetturi Ethernet. B'dan il-mod, it-telegramma dejjem tiġi trażmessa b'mod sekwenzjali lil kull apparat fuq ix-xarabank.

Rappreżentazzjoni skematika ta 'netwerk Ethercat b'nodi multipli. Sors: realpars.com

Mill-mod, l-ispeċifikazzjoni EtherCAT ma fihiex restrizzjonijiet fuq is-saff fiżiku 100Base-TX, għalhekk l-implimentazzjoni tal-protokoll hija possibbli bbażata fuq gigabit u linji ottiċi.

Netwerks industrijali miftuħa u standards PROFIBUS/NET minn Siemens

It-tħassib Ġermaniż Siemens ilu magħruf għall-kontrolluri tal-loġika programmabbli (PLCs), li jintużaw madwar id-dinja.

L-iskambju tad-dejta bejn in-nodi ta 'sistema awtomatizzata kkontrollata minn tagħmir Siemens jitwettaq kemm permezz ta' field bus imsejjaħ PROFIBUS kif ukoll fin-netwerk industrijali PROFINET.

Il-bus PROFIBUS juża kejbil speċjali b'żewġ qalba b'konnetturi DB-9. Siemens għandha fil-vjola, iżda rajna oħrajn fil-prattika :). Biex tikkonnettja nodi multipli, konnettur jista 'jgħaqqad żewġ kejbils. Għandu wkoll swiċċ għar-reżistenza terminali. Ir-resistor terminali għandu jinxtegħel fl-apparat tat-tarf tan-netwerk, u b'hekk jindika li dan huwa l-ewwel jew l-aħħar apparat, u wara m'hemm xejn, biss dlam u vojt (l-rs485s kollha jaħdmu bħal dan). Jekk tixgħel resistor fuq il-konnettur intermedju, it-taqsima li ġejja tkun mitfija.

Kejbil PROFIBUS b'konnetturi li jgħaqqdu. Sors: VIPA ControlsAmerica

In-netwerk PROFINET juża kejbil ta 'par mibrum analogu, ġeneralment b'konnetturi RJ-45, il-kejbil huwa kkulurit aħdar. Jekk it-topoloġija ta 'PROFIBUS hija xarabank, allura t-topoloġija tan-netwerk PROFINET tista' tkun xi ħaġa: ċirku, stilla, siġra, jew kollox magħqud.

Kontrollur Siemens b'kejbil PROFINET konness. Sors: w3.siemens.com

Hemm diversi protokolli ta' komunikazzjoni fuq ix-xarabank PROFIBUS u fin-netwerk PROFINET.

Għal PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - l-implimentazzjoni ta 'dan il-protokoll tinvolvi komunikazzjoni ma' apparati slave remoti; fil-każ ta 'PROFINET, dan il-protokoll jikkorrispondi mal-protokoll PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA huwa essenzjalment l-istess bħal PROFIBUS DP, użat biss għal verżjonijiet kontra l-isplużjoni ta 'trasmissjoni ta' data u provvista ta 'enerġija (analogu għal PROFIBUS DP bi proprjetajiet fiżiċi differenti). Għal PROFINET, protokoll kontra l-isplużjoni simili għal PROFIBUS għadu ma jeżistix.
3. PROFIBUS FMS - iddisinjat għall-iskambju tad-dejta ma 'sistemi minn manifatturi oħra li ma jistgħux jużaw PROFIBUS DP. L-analogu PROFIBUS FMS fin-netwerk PROFINET huwa l-protokoll PROFINET CBA.

Għal PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Il-protokoll PROFINET IO huwa maqsum f'diversi klassijiet:

• PROFINET NRT (ħin mhux reali) - użat f'applikazzjonijiet fejn il-parametri tal-ħin mhumiex kritiċi. Juża l-protokoll ta 'trasferiment tad-dejta Ethernet TCP/IP kif ukoll UDP/IP.
• PROFINET RT (ħin reali) - hawnhekk l-iskambju tad-dejta I/O huwa implimentat bl-użu ta 'frejms Ethernet, iżda d-dejta dijanjostika u ta' komunikazzjoni għadha ttrasferita permezz ta 'UDP/IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Dan il-protokoll ġie żviluppat speċifikament għal applikazzjonijiet ta 'kontroll tal-moviment u jinkludi fażi ta' trasferiment ta 'data isochronous.

Fir-rigward tal-implimentazzjoni tal-protokoll f'ħin reali iebes PROFINET IRT, għal komunikazzjonijiet b'apparat remot jiddistingwi żewġ kanali ta 'skambju: isochronous u asinkronu. Kanal isokronu b'tul fiss taċ-ċiklu tal-iskambju juża sinkronizzazzjoni tal-arloġġ u jittrażmetti data kritika għall-ħin; għat-trażmissjoni jintużaw telegrammi tat-tieni livell. It-tul tat-trażmissjoni f'kanal iżokronu ma jaqbiżx millisekonda.

Il-kanal asinkroniku jittrasmetti l-hekk imsejħa data f'ħin reali, li hija indirizzata wkoll permezz ta 'indirizz MAC. Barra minn hekk, diversi informazzjoni dijanjostika u awżiljarja tiġi trażmessa fuq TCP/IP. La data f'ħin reali, u wisq inqas informazzjoni oħra, ovvjament, ma jistgħu jinterrompu ċ-ċiklu isochronous.

Is-sett estiż ta 'funzjonijiet PROFINET IO mhuwiex meħtieġ għal kull sistema ta' awtomazzjoni industrijali, għalhekk dan il-protokoll huwa skalat għal proġett speċifiku, b'kont meħud tal-klassijiet ta 'konformità jew klassijiet ta' konformità: CC-A, CC-B, CC-CC. Il-klassijiet ta' konformità jippermettulek tagħżel tagħmir fuq il-post u komponenti tas-sinsla bil-funzjonalità minima meħtieġa. 

Sors: Lezzjoni universitarja PROFINET

It-tieni protokoll ta 'skambju fin-netwerk PROFINET - PROFINET CBA - jintuża biex jorganizza komunikazzjoni industrijali bejn tagħmir minn manifatturi differenti. L-unità ewlenija tal-produzzjoni fis-sistemi IAS hija ċerta entità msejħa komponent. Dan il-komponent huwa ġeneralment ġabra ta 'partijiet mekkaniċi, elettriċi u elettroniċi ta' apparat jew installazzjoni, kif ukoll softwer ta 'applikazzjoni assoċjat. Għal kull komponent, jintgħażel modulu tas-softwer li fih deskrizzjoni sħiħa tal-interface ta 'dan il-komponent skont ir-rekwiżiti tal-istandard PROFINET. Wara dan, dawn il-moduli tas-softwer jintużaw biex jiskambjaw id-data ma 'apparati. 

Protokoll B&R Ethernet POWERLINK

Il-protokoll Powerlink ġie żviluppat mill-kumpanija Awstrijaka B&R fil-bidu tas-snin 2000. Din hija implimentazzjoni oħra ta 'protokoll f'ħin reali fuq l-istandard Ethernet. L-ispeċifikazzjoni tal-protokoll hija disponibbli u mqassma liberament. 

It-teknoloġija Powerlink tuża l-hekk imsejjaħ mekkaniżmu ta 'votazzjoni mħallta, meta l-interazzjoni kollha bejn l-apparati hija maqsuma f'diversi fażijiet. Dejta partikolarment kritika tiġi trażmessa fil-fażi ta' skambju isochronous, li għaliha jiġi kkonfigurat il-ħin ta' rispons meħtieġ; id-dejta li jifdal tiġi trażmessa, kull meta jkun possibbli, fil-fażi asinkronika.

Kontrollur B&R b'sett ta' moduli I/O. Sors: br-automation.com

Il-protokoll kien oriġinarjament implimentat fuq is-saff fiżiku 100Base-TX, iżda aktar tard ġiet żviluppata implimentazzjoni ta 'gigabit.

Il-protokoll Powerlink juża mekkaniżmu ta 'skedar ta' komunikazzjoni. Ċertu markatur jew messaġġ ta 'kontroll jintbagħat lin-netwerk, li bl-għajnuna tiegħu jiġi determinat liema mill-apparati bħalissa għandu permess biex jiskambja dejta. Apparat wieħed biss jista' jkollu aċċess għall-iskambju kull darba.

Rappreżentazzjoni skematika ta 'netwerk Ethernet POWERLINK b'nodi multipli.

Fil-fażi isochronous, il-kontrollur tal-votazzjoni b'mod sekwenzjali jibgħat talba lil kull nodu li minnu jeħtieġ li jirċievi dejta kritika. 

Il-fażi isochronous titwettaq, kif diġà ssemma, b'ħin taċ-ċiklu aġġustabbli. Fil-fażi asinkronika tal-iskambju, tintuża l-munzell tal-protokoll IP, il-kontrollur jitlob dejta mhux kritika min-nodi kollha, li jibagħtu tweġiba hekk kif jiksbu aċċess biex jittrasmettu lin-netwerk. Il-proporzjon tal-ħin bejn il-fażijiet iżokroniċi u mhux sinkroniċi jista 'jiġi aġġustat manwalment.

Protokoll Rockwell Automation Ethernet/IP

Il-protokoll EtherNet/IP ġie żviluppat bil-parteċipazzjoni attiva tal-kumpanija Amerikana Rockwell Automation fl-2000. Juża l-munzell IP TCP u UDP, u jestendih għal applikazzjonijiet ta 'awtomazzjoni industrijali. It-tieni parti tal-isem, kuntrarjament għat-twemmin popolari, ma tfissirx Protokoll tal-Internet, iżda Protokoll Industrijali. UDP IP juża l-munzell ta 'komunikazzjonijiet CIP (Common Interface Protocol), li jintuża wkoll fin-netwerks ControlNet/DeviceNet u huwa implimentat fuq TCP/IP.

L-ispeċifikazzjoni EtherNet/IP hija pubblikament disponibbli u liberament disponibbli. It-topoloġija tan-netwerk Ethernet/IP tista 'tkun arbitrarja u tinkludi ċirku, stilla, siġra jew xarabank.

Minbarra l-funzjonijiet standard tal-protokolli HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, timplimenta t-trasferiment ta 'dejta kritika għall-ħin bejn il-kontrollur tal-votazzjoni u l-apparat I/O. It-trażmissjoni ta 'data mhux kritika fil-ħin hija pprovduta minn pakketti TCP, u l-kunsinna kritika fil-ħin ta' data ta 'kontroll ċikliku titwettaq permezz tal-protokoll UDP. 

Biex jissinkronizza l-ħin f'sistemi distribwiti, EtherNet/IP juża l-protokoll CIPsync, li huwa estensjoni tal-protokoll ta 'komunikazzjoni CIP.

Rappreżentazzjoni skematika ta 'netwerk Ethernet/IP b'diversi nodi u konnessjoni ta' apparati Modbus. Sors: www.icpdas.com.tw

Biex tissimplifika s-setup tan-netwerk EtherNet/IP, il-biċċa l-kbira tal-apparati ta 'awtomazzjoni standard jiġu b'fajls ta' konfigurazzjoni predefiniti.

Implimentazzjoni tal-protokoll FBUS f'Fastwel

Ħsibna għal żmien twil jekk ninkludix il-kumpanija Russa Fastwel f'din il-lista bl-implimentazzjoni domestika tagħha tal-protokoll industrijali FBUS, iżda mbagħad iddeċidejna li niktbu ftit paragrafi għal fehim aħjar tar-realtajiet tas-sostituzzjoni tal-importazzjoni.

Hemm żewġ implimentazzjonijiet fiżiċi ta 'FBUS. Waħda minnhom hija xarabank li fiha l-protokoll FBUS jimxi fuq l-istandard RS485. Barra minn hekk, hemm implimentazzjoni ta 'FBUS f'netwerk Ethernet industrijali.

FBUS ma tantx jista 'jissejjaħ protokoll ta' veloċità għolja; il-ħin tar-rispons jiddependi ħafna fuq in-numru ta 'moduli I/O fuq ix-xarabank u fuq il-parametri tal-iskambju; ġeneralment ivarja minn 0,5 sa 10 millisekondi. Nodu slave FBUS wieħed jista' jkun fih biss 64 modulu I/O. Għal fieldbus, it-tul tal-kejbil ma jistax jaqbeż metru 1, għalhekk mhux qed nitkellmu dwar sistemi distribwiti. Jew aħjar, dan jagħmel, iżda biss meta juża netwerk FBUS industrijali fuq TCP/IP, li jfisser żieda fil-ħin tal-votazzjoni diversi drabi. Kurduni ta 'estensjoni tal-karozzi tal-linja jistgħu jintużaw biex jgħaqqdu moduli, li jippermetti tqegħid konvenjenti ta' moduli fil-kabinett tal-awtomazzjoni.

Kontrollur Fastwel b'moduli I/O konnessi. Sors: Kontroll Inġinerija Russja

Total: kif dan kollu jintuża fil-prattika f'sistemi awtomatizzati ta' kontroll tal-proċess

Naturalment, il-varjetà ta 'tipi ta' protokolli moderni ta 'trasferiment tad-dejta industrijali hija ħafna akbar milli deskritti f'dan l-artikolu. Xi wħud huma marbuta ma 'manifattur speċifiku, xi wħud, għall-kuntrarju, huma universali. Meta tiżviluppa sistemi awtomatizzati ta 'kontroll tal-proċess (APCS), l-inġinier jagħżel l-aħjar protokolli, filwaqt li jqis kompiti u limitazzjonijiet speċifiċi (tekniċi u baġitarji).

Jekk nitkellmu dwar il-prevalenza ta 'protokoll ta' skambju partikolari, nistgħu nipprovdu dijagramma tal-kumpanija HMS Netwerks AB, li juri l-ishma tas-suq ta 'diversi teknoloġiji ta' skambju f'netwerks industrijali.

Sors: HMS Netwerks AB

Kif jidher fid-dijagramma, PRONET u PROFIBUS minn Siemens jokkupaw il-pożizzjonijiet ewlenin.

Interessanti, 6 snin ilu 60% tas-suq kien okkupat minn protokolli PROFINET u Ethernet/IP.

It-tabella hawn taħt fiha data fil-qosor dwar il-protokolli ta' skambju deskritti. Xi parametri, pereżempju, il-prestazzjoni, huma espressi f'termini astratti: għoli / baxx. Ekwivalenti numeriċi jistgħu jinstabu fl-artikoli ta 'analiżi tal-prestazzjoni. 

	EtherCAT	POWERLINK	PROFINET	Ethernet/IP	ModbusTCP
Saff fiżiku	100/1000 BAŻI-TX	100/1000 BAŻI-TX	100/1000 BAŻI-TX	100/1000 BAŻI-TX	100/1000 BAŻI-TX
Livell tad-dejta	Kanal (frejms Ethernet)	Kanal (frejms Ethernet)	Kanal (frejms Ethernet), Netwerk/trasport (TCP/IP)	Netwerk/Trasport (TCP/IP)	Netwerk/Trasport (TCP/IP)
Appoġġ f'ħin reali	Iva	Iva	Iva	Iva	Nru
Produttività	High	High	IRT – għoli, RT – medju	Medja	Baxxa
Tul tal-kejbil bejn in-nodi	100m	100m/2km	100m	100m	100m
Fażijiet ta' trasferiment	Nru	Isokronu + mhux sinkroniku	IRT – iżokroniku + mhux sinkroniku, RT – mhux sinkroniku	Nru	Nru
Numru ta' nodi	65535	240	Limitazzjoni tan-Netwerk TCP/IP	Limitazzjoni tan-Netwerk TCP/IP	Limitazzjoni tan-Netwerk TCP/IP
Riżoluzzjoni tal-ħabtiet	Topoloġija taċ-ċirku	Sinkronizzazzjoni tal-arloġġ, fażijiet tat-trażmissjoni	Topoloġija taċ-ċirku, fażijiet tat-trażmissjoni	Swiċċijiet, topoloġija stilla	Swiċċijiet, topoloġija stilla
Skambju sħun	Nru	Iva	Iva	Iva	Jiddependi fuq l-implimentazzjoni
L-ispiża tat-tagħmir	Baxxa	Baxxa	High	Medja	Baxxa

L-oqsma ta 'applikazzjoni tal-protokolli ta' skambju deskritti, fieldbuses u netwerks industrijali huma diversi ħafna. Mill-industriji kimiċi u tal-karozzi għat-teknoloġija aerospazjali u l-manifattura tal-elettronika. Protokolli ta 'skambju ta' veloċità għolja huma mitluba f'sistemi ta 'pożizzjonament f'ħin reali għal apparati varji u fir-robotika.

Ma' liema protokolli ħdimt u fejn applikajthom? Aqsam l-esperjenza tiegħek fil-kummenti. 🙂

Sors: www.habr.com