hebben we uitgelegd hoe bussen en protocollen werken in industriële automatisering. Dit keer focussen we ons op moderne toepassingsoplossingen: we bekijken welke protocollen wereldwijd in systemen worden gebruikt. We onderzoeken de technologieën van het Duitse bedrijf Beckhoff en Siemens, het Oostenrijkse B&R, het Amerikaanse Rockwell Automation en het Russische Fastwel. Daarnaast bekijken we universele oplossingen die niet aan een specifieke producent zijn gebonden, zoals EtherCAT en CAN.
Aan het einde van het artikel zal er een vergelijkende tabel zijn met de specificaties van de protocollen EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP en ModbusTCP.
We hebben de protocollen PRP, HSR, OPC UA en andere niet opgenomen, omdat er op Habr al uitstekende artikelen van onze collega-engineers zijn die zich bezighouden met de ontwikkeling van industriële automatiseringssystemen. Bijvoorbeeld, en .
Laten we beginnen met het definiëren van de terminologie: Industrial Ethernet = industriële netwerk, Fieldbus = veldbus. In de Russische industriële automatisering is er soms verwarring over de termen die betrekking hebben op de veldbus en het industriële netwerk op laag niveau. Vaak worden deze termen samengevoegd tot één vage term 'laag niveau', die zowel veldbus als bus op laag niveau kan aanduiden, hoewel het ook helemaal geen bus kan zijn.
Waarom is dat?Deze verwarring is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat in veel moderne controllers de verbinding van in- en uitvoermodules vaak wordt gerealiseerd met behulp van een backplane of fysieke bus. Met andere woorden, er worden bepaalde buscontacten en connectors gebruikt om verschillende modules tot één eenheid te combineren. Maar zulke eenheden kunnen op hun beurt met elkaar verbonden zijn, zowel via industriële netwerken als via veldbussen. In de westerse terminologie is er een duidelijke scheiding: een netwerk is een netwerk, en een bus is een bus. Het eerste wordt aangeduid met de term Industrial Ethernet, het tweede met Fieldbus. In het artikel wordt voorgesteld om voor deze concepten de termen 'industriële netwerk' en 'veldbus' respectievelijk te gebruiken.
De standaard van het industriële netwerk EtherCAT, ontwikkeld door het bedrijf Beckhoff
Het EtherCAT-protocol en industriële netwerken zijn wellicht een van de snelste manieren om gegevens te verzenden in automatiseringssystemen. Het EtherCAT-netwerk wordt met succes gebruikt in gedistribueerde automatiseringssystemen waar de interactie tussen de knooppunten over grote afstanden plaatsvindt.
Het EtherCAT-protocol maakt gebruik van standaard Ethernet-frames voor het verzenden van zijn telegrammen, waardoor compatibiliteit met elke standaard Ethernet-apparatuur behouden blijft en in feite de ontvangst en verzending van gegevens op elke Ethernet-controller kan worden georganiseerd, mits de juiste software beschikbaar is.
Beckhoff-controller met een set in- en uitvoermodules. Bron:
De specificatie van het protocol is openbaar en toegankelijk, maar alleen binnen het ontwikkelingsassociatie — EtherCAT Technology Group.
Zo werkt EtherCAT (het spektakel is fascinerend, net als het spel Zuma Inca):
De hoge snelheid van gegevensoverdracht in dit protocol — enkele microseconden — is gerealiseerd doordat de ontwikkelaars hebben afgezien van de uitwisseling via telegrammen die rechtstreeks naar een specifiek apparaat worden verzonden. In plaats daarvan wordt er één telegram naar het EtherCAT-netwerk gestuurd, dat aan alle apparaten tegelijk is gericht. Elk van de ondergeschikte knooppunten voor gegevensverzameling en -overdracht (ze worden ook vaak
De EtherCAT-netwerk kan elke topologie hebben, maar in wezen zal het altijd een ring zijn - vanwege het gebruik van de full-duplex modus en twee Ethernet-aansluitingen. Hierdoor zal het telegram altijd sequentieel aan elk apparaat op de bus worden verzonden.
Schematische weergave van het EtherCAT-netwerk met meerdere knooppunten. Bron:
Overigens bevat de EtherCAT-specificatie geen beperkingen voor het fysieke niveau 100Base-TX, waardoor de implementatie van het protocol mogelijk is op basis van gigabit- en optische lijnen.
Open industriële netwerken en PROFIBUS-/NET-standaarden van Siemens
Het Duitse concern Siemens is al lang bekend om zijn programmeerbare logische controllers (PLC's), die over de hele wereld worden gebruikt.
De gegevensuitwisseling tussen de knooppunten van een geautomatiseerd systeem dat wordt aangedreven door Siemens-apparatuur gebeurt zowel via de veldbus die PROFIBUS heet als in het industriële netwerk PROFINET.
De PROFIBUS-bus maakt gebruik van een speciale tweedradige kabel met DB-9-connectoren. Bij Siemens is deze paars, maar we zijn ook andere kleuren tegengekomen in de praktijk :). Voor de verbinding van meerdere knooppunten kan de connector twee kabels aan elkaar verbinden. Daarnaast heeft hij een schakelaar voor de terminatieweerstand. De terminatieweerstand moet zijn ingeschakeld op de eindapparaten van het netwerk, zodat wordt aangegeven dat dit het eerste of laatste apparaat is, en er na dit apparaat niets meer komt, alleen duisternis en leegte (alle rs485 werken zo). Als de weerstand op de tussenconnector is ingeschakeld, wordt het segment erachter uitgeschakeld.
PROFIBUS-kabel met verbindingsconnectoren. Bron:
In het PROFINET-netwerk wordt een vergelijkbare twist-pair gebruikt, meestal met RJ-45-connectoren, de kabel is groen gekleurd. Als de topologie van PROFIBUS een bus is, kan de topologie van het PROFINET-netwerk alles zijn: een ring, een ster, een boom, of zelfs een combinatie van deze.
Siemens-controller met aangesloten PROFINET-kabel. Bron: w3.siemens.com
Er zijn verschillende protocollen voor gegevensuitwisseling op de PROFIBUS-bus en in het PROFINET-netwerk.
Voor PROFIBUS:
- PROFIBUS DP — deze implementatie van het protocol houdt in dat er verbinding wordt gemaakt met externe, ondergeschikte apparaten; voor PROFINET komt dit protocol overeen met de PROFINET IO-protocol.
- PROFIBUS PA — is in wezen dezelfde als PROFIBUS DP, maar wordt gebruikt voor explosieveilige transmissies van gegevens en voeding (een analoog van PROFIBUS DP met andere fysieke eigenschappen). Voor PROFINET bestaat er nog geen explosieveilig protocol dat analoog is aan PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS — is bedoeld voor gegevensuitwisseling met systemen van andere fabrikanten die geen gebruik kunnen maken van PROFIBUS DP. Het analoog van PROFIBUS FMS in het PROFINET-netwerk is het PROFINET CBA-protocol.
Voor PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Het PROFINET IO-protocol is onderverdeeld in verschillende klassen:
- PROFINET NRT (zonder real-time) wordt gebruikt in toepassingen waar tijdparameters niet cruciaal zijn. Het maakt gebruik van het Ethernet TCP/IP datatransmissieprotocol, evenals UDP/IP.
- PROFINET RT (real-time) - de gegevensinvoer/-uitvoeruitwisseling wordt hier gerealiseerd met behulp van Ethernet-frames, maar diagnostische gegevens en communicatiedatat worden nog steeds via UDP/IP verzonden.
- PROFINET IRT (isochronisch real-time) - dit protocol is speciaal ontwikkeld voor bewegingsregeltoepassingen en omvat een isochrone fase van datatransmissie.
Wat betreft de implementatie van het harde real-time protocol PROFINET IRT, zijn er voor communicatie met externe apparaten twee uitwisselingskanalen: isochrone en asynchrone. Het isochrone kanaal met een vaste cyclusomloop gebruikt klok synchronisatie en verzendt tijdkritieke gegevens, met telegrammen van de tweede laag. De transmissieduur in het isochrone kanaal overschrijdt niet 1 milliseconde.
In het asynchrone kanaal worden zogenaamde real-time-gegevens verzonden, die ook worden geadresseerd via een MAC-adres. Daarnaast worden diverse diagnostische en ondersteunende informatie al bovenop TCP/IP verzonden. Noch real-time-gegevens, noch andere informatie kunnen uiteraard de isochrone cyclus onderbreken.
Een uitgebreid scala aan functies van PROFINET IO is niet nodig voor elk industriële automatiseringssysteem, daarom wordt dit protocol afgestemd op een specifiek project, rekening houdend met conformiteitsklassen of toepassingsklassen (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Conformiteitsklassen maken het mogelijk om veldapparatuur en buscomponenten met minimaal noodzakelijke functionaliteit te selecteren.
Bron:
Het tweede communicatieprotocol in het PROFINET-netwerk — PROFINET CBA — is bedoeld om industriële communicatie tussen apparatuur van verschillende fabrikanten te organiseren. De belangrijkste producteenheid in CBA-systemen is een entiteit die een component wordt genoemd. Deze component vertegenwoordigt meestal een combinatie van de mechanische, elektrische en elektronische delen van een apparaat of installatie, evenals de bijbehorende applicatiesoftware. Voor elk component wordt een programmamodule geselecteerd die een volledige beschrijving van de interface van dat component volgens de PROFINET-standaard bevat. Deze programmamodules worden vervolgens gebruikt voor gegevensuitwisseling met apparaten.
Het Ethernet POWERLINK-protocol van B&R
Het Powerlink-protocol is ontwikkeld door het Oostenrijkse bedrijf B&R in het begin van de jaren 2000. Dit is weer een implementatie van een realtimeprotocol bovenop de Ethernet-standaard. De specificatie van het protocol is beschikbaar en wordt vrij verspreid.
In de Powerlink-technologie wordt een mechanisme voor zogenaamde gemengde polling toegepast, waarbij de interactie tussen apparaten in verschillende fasen wordt verdeeld. Bijzondere kritische gegevens worden verzonden in de isochrone uitwisselingsfase, waarvoor de vereiste responstijd is ingesteld, terwijl andere gegevens indien mogelijk in de asynchrone fase zullen worden verzonden.
B&R-controller met een set in- en uitvoermodules. Bron: br-automation.com
Oorspronkelijk was het protocol geïmplementeerd bovenop de fysieke laag 100Base-TX, maar later werd ook een gigabituitvoering ontwikkeld.
In het Powerlink-protocol wordt een mechanisme voor het plannen van de uitwisseling gebruikt. Er wordt een marker of controlebericht naar het netwerk gestuurd, waarmee wordt bepaald welk apparaat op dat moment toestemming heeft om gegevens uit te wisselen. Op elk moment mag slechts één apparaat toegang hebben tot de uitwisseling.
Schematische weergave van een Ethernet POWERLINK-netwerk met meerdere knooppunten.
In de isochrone fase stuurt de pollingcontroller opeenvolgend een verzoek naar elk knooppunt waarvan kritische gegevens moeten worden verkregen.
De isochronische fase wordt uitgevoerd, zoals eerder vermeld, met een configureerbare cyclus tijd. In de asynchrone fase van de communicatie gebruikt de controller het IP-protocolstack en vraagt niet-kritische gegevens op bij alle knooppunten, die antwoorden sturen zodra ze toegang krijgen tot de netwerktransmissie. De tijdsverhouding tussen de isochronische en asynchrone fasen kan handmatig worden ingesteld.
Ethernet/IP-protocol van Rockwell Automation
Het EtherNet/IP-protocol is ontwikkeld met actieve deelname van het Amerikaanse bedrijf Rockwell Automation in 2000. Het maakt gebruik van de TCP- en UDP IP-stacks en breidt deze uit voor gebruik in de industriële automatisering. Het tweede deel van de naam betekent, in tegenstelling tot de populaire overtuiging, niet Internet Protocol, maar Industrial Protocol. UDP IP maakt gebruik van de communicatiestack van het CIP (Common Interface Protocol), dat ook wordt gebruikt in ControlNet / DeviceNet-netwerken en bovenop TCP/IP wordt geïmplementeerd.
De specificatie van EtherNet/IP is openbaar en wordt gratis verspreid. De netwerktopologie van Ethernet/IP kan willekeurig zijn en kan een ring, ster, boom of bus omvatten.
Naast de standaardfuncties van de HTTP-, FTP- en SMTP-protocollen, implementeert EtherNet/IP de overdracht van tijdkritische gegevens tussen de polled controller en de in- en uitvoerapparaten. De overdracht van niet-tijdkritische gegevens wordt verzorgd via TCP-pakketten, terwijl de tijdkritische levering van cyclische beheergegevens via het UDP-protocol plaatsvindt.
Voor tijdsynchronisatie in gedistribueerde systemen maakt EtherNet/IP gebruik van het CIPsync-protocol, dat een uitbreiding is van het communicatieprotocol CIP.
Een schematische afbeelding van het Ethernet/IP-netwerk met meerdere knooppunten en verbinding met Modbus-apparaten. Bron:
Om de configuratie van het EtherNet/IP-netwerk te vereenvoudigen, worden de meeste standaard automatiseringsapparaten geleverd met vooraf gedefinieerde configuratiebestanden.
Implementatie van het FBUS-protocol door het bedrijf Fastwel
We hebben lang nagedacht over het opnemen van het Russische bedrijf Fastwel met zijn lokale implementatie van het industriële FBUS-protocol in deze lijst, maar hebben uiteindelijk toch besloten om een paar alinea's te schrijven voor een beter begrip van de realiteit van importvervanging.
Er zijn twee fysieke implementaties van FBUS. Een daarvan is een bus waarbij het FBUS-protocol boven de standaard RS485 werkt. Daarnaast is er een implementatie van FBUS binnen het industriële Ethernet-netwerk.
FBUS is difficult to call a high-speed protocol; the response time heavily depends on the number of I/O modules on the bus and the exchange parameters, usually ranging from 0.5 to 10 milliseconds. One subordinate FBUS node can contain only 64 I/O modules. For the field bus, the cable length cannot exceed 1 meter, so distributed systems are not an option. More specifically, they are only feasible when using the industrial FBUS network over TCP/IP, which significantly increases polling times. Bus extenders can be used to connect modules, allowing for convenient placement of modules in the automation cabinet.
Fastwel controller with connected I/O modules. Source:
In summary: how all this is used in practice in automated control systems
Naturally, the variety of modern industrial data transmission protocols is much greater than what we have described in this article. Some are tied to specific manufacturers, while others are universal. In developing automated process control systems (APCS), the engineer chooses optimal protocols, considering specific tasks and constraints (technical and budgetary).
When discussing the prevalence of a particular exchange protocol, one can refer to a diagram from the company HMS Networks AB, which illustrates the market shares of various exchange technologies in industrial networks.
Bron:
As seen in the diagram, PRONET and PROFIBUS from Siemens are in leading positions.
Interestingly, 6 years ago .
The table below summarizes the data on the described exchange protocols. Some parameters, such as performance, are expressed in abstract terms: high/low. Numeric equivalents can be found in articles on performance analysis.
| EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Fysiek niveau | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Data transmission rate | Link (Ethernet frames) | Link (Ethernet frames) | Link (Ethernet frames), Network/transport (TCP/IP) | Network/transport (TCP/IP) | Network/transport (TCP/IP) |
Real-time support | Yes | Yes | Yes | Yes | No |
Prestaties | Hoog | Hoog | IRT – high, RT – medium | Gemiddeld | Laag |
Cable length between nodes | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Transmission phases | No | Isochronous + asynchronous | IRT – isochronous + asynchronous, RT – asynchronous | No | No |
Number of nodes | 65535 | 240 | TCP/IP network limitation | TCP/IP network limitation | TCP/IP network limitation |
Collision resolution | Ringtopologie | Takt-synchronisatie, overdragingsfases | Ringtopologie, overdragingsfases | Switches, stertopologie | Switches, stertopologie |
Hot swapping | No | Yes | Yes | Yes | Afhankelijk van de implementatie |
Kosten van apparatuur | Laag | Laag | Hoog | Gemiddeld | Laag |
De toepassingen van de beschreven uitwisselingsprotocollen, veldbussen en industriële netwerken zijn zeer divers. Van de chemische en auto-industrie tot aan luchtruimte technologie en elektronica productie. Snelwerkende uitwisselingsprotocollen zijn in trek in real-time positioneringssystemen van verschillende apparaten en in de robotica.
Met welke protocollen heeft u gewerkt en waar heeft u ze toegepast? Deel uw ervaringen in de comments. 🙂
Bron: habr.com
