we hadden het over hoe bussen en protocollen werken in de industriële automatisering. Deze keer zullen we ons concentreren op moderne werkoplossingen: we zullen kijken welke protocollen er in systemen over de hele wereld worden gebruikt. Laten we eens kijken naar de technologieën van de Duitse bedrijven Beckhoff en Siemens, het Oostenrijkse B&R, het Amerikaanse Rockwell Automation en het Russische Fastwel. Ook gaan we universele oplossingen bestuderen die niet gebonden zijn aan een specifieke fabrikant, zoals EtherCAT en CAN.
Aan het einde van het artikel vindt u een vergelijkingstabel met de kenmerken van de EtherCAT-, POWERLINK-, PROFINET-, EtherNet/IP- en ModbusTCP-protocollen.
We hebben PRP-, HSR-, OPC UA- en andere protocollen niet in de review opgenomen, omdat Op Habré staan er al uitstekende artikelen over van onze collega-ingenieurs die industriële automatiseringssystemen ontwikkelen. Bijvoorbeeld, и .
Laten we eerst de terminologie definiëren: Industrieel Ethernet = industrieel netwerk, Veldbus = veldbus. In de Russische industriële automatisering bestaat er verwarring op het gebied van de veldbus en het industriële netwerk op een lager niveau. Vaak worden deze termen gecombineerd tot een enkel, vaag concept dat "lager niveau" wordt genoemd en waarnaar wordt verwezen als zowel een veldbus als een bus op subniveau, hoewel het misschien helemaal geen bus is.
Hoe komt dat?Deze verwarring is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan het feit dat in veel moderne controllers de aansluiting van I/O-modules vaak wordt geïmplementeerd met behulp van een backplane of een fysieke bus. Dat wil zeggen dat bepaalde buscontacten en connectoren worden gebruikt om meerdere modules in één eenheid te combineren. Maar dergelijke knooppunten kunnen op hun beurt met elkaar worden verbonden door zowel een industrieel netwerk als een veldbus. In de westerse terminologie is er een duidelijke tweedeling: een netwerk is een netwerk, een bus is een bus. De eerste wordt aangeduid met de term Industrial Ethernet, de tweede met Fieldbus. In het artikel wordt voorgesteld om voor deze concepten respectievelijk de term “industrieel netwerk” en de term “veldbus” te gebruiken.
Industriële netwerkstandaard EtherCAT, ontwikkeld door Beckhoff
Het EtherCAT-protocol en het industriële netwerk zijn tegenwoordig misschien wel een van de snelste methoden voor gegevensoverdracht in automatiseringssystemen. Het EtherCAT-netwerk wordt met succes gebruikt in gedistribueerde automatiseringssystemen, waarbij samenwerkende knooppunten over lange afstanden worden gescheiden.
Het EtherCAT-protocol maakt gebruik van standaard Ethernet-frames om zijn telegrammen te verzenden, zodat het compatibel blijft met alle standaard Ethernet-apparatuur. In feite kan de gegevensontvangst en -overdracht op elke Ethernet-controller worden georganiseerd, op voorwaarde dat de juiste software beschikbaar is.
Beckhoff-controller met een set I/O-modules. Bron:
De protocolspecificatie is open en beschikbaar, maar alleen binnen het raamwerk van de ontwikkelingsvereniging - EtherCAT Technology Group.
Zo werkt EtherCAT (het spektakel is betoverend, net als het spel Zuma Inca):
De hoge uitwisselingssnelheid in dit protocol - en we kunnen praten over eenheden van microseconden - wordt gerealiseerd vanwege het feit dat de ontwikkelaars weigerden uit te wisselen met behulp van telegrammen die rechtstreeks naar een specifiek apparaat werden verzonden. In plaats daarvan wordt één telegram naar het EtherCAT-netwerk gestuurd, tegelijkertijd geadresseerd aan alle apparaten, waarbij elk van de slave-knooppunten voor het verzamelen en verzenden van informatie (ze worden ook vaak OSO genoemd - objectcommunicatie-apparaat) er "on the fly" van neemt. de gegevens die ervoor bedoeld waren en voegt in een telegram de gegevens in die hij bereid is ter uitwisseling te verstrekken. Het telegram wordt vervolgens naar het volgende slave-knooppunt verzonden, waar dezelfde bewerking plaatsvindt. Nadat het door alle besturingsapparaten is gegaan, wordt het telegram teruggestuurd naar de hoofdcontroller, die, op basis van de gegevens ontvangen van de slave-apparaten, de besturingslogica implementeert en via het telegram opnieuw interageert met de slave-knooppunten, die een besturingssignaal afgeven aan de uitrusting.
Een EtherCAT-netwerk kan elke topologie hebben, maar zal in essentie altijd een ring zijn - dankzij het gebruik van full duplex-modus en twee Ethernet-connectoren. Op deze manier wordt het telegram altijd opeenvolgend naar elk apparaat op de bus verzonden.
Schematische weergave van een Ethercat-netwerk met meerdere knooppunten. Bron:
Overigens bevat de EtherCAT-specificatie geen beperkingen op de fysieke laag 100Base-TX, dus implementatie van het protocol is mogelijk op basis van gigabit- en optische lijnen.
Open industriële netwerken en PROFIBUS/NET-standaarden van Siemens
Het Duitse concern Siemens staat al lang bekend om zijn programmeerbare logische controllers (PLC's), die over de hele wereld worden gebruikt.
Gegevensuitwisseling tussen knooppunten van een geautomatiseerd systeem dat wordt bestuurd door apparatuur van Siemens wordt zowel via een veldbus genaamd PROFIBUS als in het industriële PROFINET-netwerk uitgevoerd.
De PROFIBUS-bus maakt gebruik van een speciale tweeaderige kabel met DB-9-connectoren. Siemens heeft hem in het paars, maar we hebben er andere in de praktijk gezien :). Om meerdere knooppunten met elkaar te verbinden, kan een connector twee kabels verbinden. Er zit ook een schakelaar voor de eindweerstand. De eindweerstand moet worden ingeschakeld op de eindapparaten van het netwerk, wat aangeeft dat dit het eerste of het laatste apparaat is, en daarna is er niets, alleen duisternis en leegte (alle RS485's werken zo). Als u een weerstand op de tussenconnector inschakelt, wordt het daaropvolgende gedeelte uitgeschakeld.
PROFIBUS-kabel met aansluitconnectoren. Bron:
Het PROFINET-netwerk maakt gebruik van een analoge twisted pair-kabel, 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 van alles zijn: een ring, een ster, een boom of alles gecombineerd.
Siemens-controller met aangesloten PROFINET-kabel. Bron: w3.siemens.com
Er zijn verschillende communicatieprotocollen op de PROFIBUS-bus en in het PROFINET-netwerk.
Voor PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - de implementatie van dit protocol omvat communicatie met externe slave-apparaten; in het geval van PROFINET komt dit protocol overeen met het PROFINET IO-protocol.
- PROFIBUS PA is in wezen hetzelfde als PROFIBUS DP, alleen gebruikt voor explosieveilige versies van datatransmissie en stroomvoorziening (analoog aan PROFIBUS DP met andere fysieke eigenschappen). Voor PROFINET bestaat er nog geen explosieveilig protocol vergelijkbaar met PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - ontworpen voor gegevensuitwisseling met systemen van andere fabrikanten die PROFIBUS DP niet kunnen gebruiken. De PROFIBUS FMS-analoog 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 (niet-realtime) - gebruikt in toepassingen waarbij timingparameters niet kritisch zijn. Het maakt gebruik van het Ethernet TCP/IP-protocol voor gegevensoverdracht en UDP/IP.
- PROFINET RT (realtime) – hier vindt de I/O-gegevensuitwisseling plaats via Ethernet-frames, maar de diagnose- en communicatiegegevens worden nog steeds via UDP/IP overgedragen.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Dit protocol is speciaal ontwikkeld voor motion control-toepassingen en omvat een isochrone gegevensoverdrachtsfase.
Wat de implementatie van het PROFINET IRT harde real-time protocol betreft, onderscheidt het voor communicatie met externe apparaten twee uitwisselingskanalen: isochroon en asynchroon. Een isochroon kanaal met een vaste uitwisselingscycluslengte maakt gebruik van kloksynchronisatie en verzendt tijdkritische gegevens; voor de verzending worden telegrammen van het tweede niveau gebruikt. De transmissieduur in een isochroon kanaal bedraagt niet meer dan 1 milliseconde.
Het asynchrone kanaal verzendt zogenaamde realtime gegevens, die ook via een MAC-adres worden geadresseerd. Bovendien wordt er via TCP/IP diverse diagnostische en aanvullende informatie verzonden. Noch realtime gegevens, laat staan andere informatie uiteraard, kunnen de isochrone cyclus onderbreken.
De uitgebreide set PROFINET IO-functies is niet voor elk industrieel automatiseringssysteem nodig, daarom wordt dit protocol geschaald voor een specifiek project, rekening houdend met compliance-klassen of conformance-klassen: CC-A, CC-B, CC-CC. Met complianceklassen kunt u veldapparatuur en backbone-componenten selecteren met de minimaal vereiste functionaliteit.
Bron:
Het tweede uitwisselingsprotocol in het PROFINET-netwerk - PROFINET CBA - wordt gebruikt om industriële communicatie tussen apparatuur van verschillende fabrikanten te organiseren. De belangrijkste productie-eenheid in IAS-systemen is een bepaalde entiteit die een component wordt genoemd. Dit onderdeel is meestal een verzameling mechanische, elektrische en elektronische onderdelen van een apparaat of installatie, evenals de bijbehorende applicatiesoftware. Voor ieder onderdeel wordt een softwaremodule geselecteerd die een volledige beschrijving bevat van de interface van dit onderdeel conform de eisen van de PROFINET-standaard. Vervolgens worden deze softwaremodules gebruikt om data uit te wisselen met apparaten.
B&R Ethernet POWERLINK-protocol
Het Powerlink-protocol is begin jaren 2000 ontwikkeld door het Oostenrijkse bedrijf B&R. Dit is een andere implementatie van een real-time protocol bovenop de Ethernet-standaard. De protocolspecificatie is vrij beschikbaar en verspreid.
Powerlink-technologie maakt gebruik van een zogenaamd mixed polling-mechanisme, waarbij alle interactie tussen apparaten in verschillende fasen wordt verdeeld. Bijzonder kritische gegevens worden verzonden in de isochrone uitwisselingsfase, waarvoor de vereiste responstijd is geconfigureerd; de overige gegevens worden indien mogelijk in de asynchrone fase verzonden.
B&R-controller met een set I/O-modules. Bron: br-automation.com
Het protocol werd oorspronkelijk geïmplementeerd bovenop de fysieke laag 100Base-TX, maar later werd een gigabit-implementatie ontwikkeld.
Het Powerlink-protocol maakt gebruik van een communicatieplanningsmechanisme. Er wordt een bepaald markerings- of controlebericht naar het netwerk gestuurd, met behulp waarvan wordt bepaald welk van de apparaten momenteel toestemming heeft om gegevens uit te wisselen. Er kan slechts één apparaat tegelijk toegang hebben tot de centrale.
Schematische weergave van een Ethernet POWERLINK-netwerk met meerdere knooppunten.
In de isochrone fase verzendt de pollingcontroller opeenvolgend een verzoek naar elk knooppunt waarvan hij kritische gegevens moet ontvangen.
De isochrone fase wordt, zoals reeds vermeld, uitgevoerd met een instelbare cyclustijd. In de asynchrone fase van de uitwisseling wordt de IP-protocolstack gebruikt, waarbij de controller niet-kritieke gegevens opvraagt van alle knooppunten, die een antwoord sturen zodra ze toegang krijgen om naar het netwerk te verzenden. De tijdsverhouding tussen de isochrone en asynchrone fasen kan handmatig worden aangepast.
Rockwell Automation Ethernet/IP-protocol
Het EtherNet/IP-protocol werd in 2000 ontwikkeld met actieve medewerking van het Amerikaanse bedrijf Rockwell Automation. Het maakt gebruik van de TCP- en UDP IP-stack en breidt deze uit voor industriële automatiseringstoepassingen. Het tweede deel van de naam betekent, in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, niet Internet Protocol, maar Industrieel Protocol. UDP IP maakt gebruik van de CIP-communicatiestack (Common Interface Protocol), die ook wordt gebruikt in ControlNet/DeviceNet-netwerken en bovenop TCP/IP wordt geïmplementeerd.
De EtherNet/IP-specificatie is openbaar en vrij beschikbaar. De Ethernet/IP-netwerktopologie kan willekeurig zijn en ring, ster, boom of bus omvatten.
Naast de standaardfuncties van de HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet/IP-protocollen implementeert het de overdracht van tijdkritische gegevens tussen de pollingcontroller en I/O-apparaten. De overdracht van niet-tijdkritische gegevens wordt verzorgd door TCP-pakketten, en de tijdkritische levering van cyclische besturingsgegevens wordt uitgevoerd via het UDP-protocol.
Om de tijd in gedistribueerde systemen te synchroniseren, gebruikt EtherNet/IP het CIPsync-protocol, dat een uitbreiding is van het CIP-communicatieprotocol.
Schematische weergave van een Ethernet/IP-netwerk met meerdere knooppunten en aansluiting van Modbus-apparaten. Bron:
Om de EtherNet/IP-netwerkinstallatie te vereenvoudigen, worden de meeste standaardautomatiseringsapparaten geleverd met vooraf gedefinieerde configuratiebestanden.
Implementatie van het FBUS-protocol bij Fastwel
We hebben er lang over nagedacht of we het Russische bedrijf Fastwel in deze lijst moesten opnemen met zijn binnenlandse implementatie van het industriële FBUS-protocol, maar toen besloten we een paar paragrafen te schrijven voor een beter begrip van de realiteit van importsubstitutie.
Er zijn twee fysieke implementaties van FBUS. Eén daarvan is een bus waarin het FBUS-protocol bovenop de RS485-standaard draait. Daarnaast is er een implementatie van FBUS in een industrieel Ethernet-netwerk.
FBUS kan nauwelijks een high-speed protocol worden genoemd; de responstijd is sterk afhankelijk van het aantal I/O-modules op de bus en van de uitwisselingsparameters; deze varieert doorgaans van 0,5 tot 10 milliseconden. Eén FBUS-slavenode kan slechts 64 I/O-modules bevatten. Bij een veldbus mag de kabellengte niet groter zijn dan 1 meter, we hebben het dus niet over gedistribueerde systemen. Of beter gezegd, dat is het geval, maar alleen bij gebruik van een industrieel FBUS-netwerk via TCP/IP, wat een meerdere malen langere pollingtijd betekent. Voor het aansluiten van modules kunnen busverlengsnoeren worden gebruikt, waardoor modules gemakkelijk in de automatiseringskast kunnen worden geplaatst.
Fastwel-controller met aangesloten I/O-modules. Bron:
Totaal: hoe dit alles in de praktijk wordt toegepast in geautomatiseerde procesbesturingssystemen
Uiteraard is de verscheidenheid aan typen moderne protocollen voor industriële gegevensoverdracht veel groter dan we in dit artikel hebben beschreven. Sommige zijn gebonden aan een specifieke fabrikant, andere zijn daarentegen universeel. Bij het ontwikkelen van geautomatiseerde procescontrolesystemen (APCS) selecteert de engineer de optimale protocollen, rekening houdend met specifieke taken en beperkingen (technisch en budgettair).
Als we het hebben over de prevalentie van een bepaald uitwisselingsprotocol, kunnen we een diagram van het bedrijf geven HMS Networks AB, dat de marktaandelen van verschillende uitwisselingstechnologieën in industriële netwerken illustreert.
Bron:
Zoals te zien is in het diagram, bezetten PRONET en PROFIBUS van Siemens de leidende posities.
Interessant genoeg, 6 jaar geleden .
De onderstaande tabel bevat samenvattende gegevens over de beschreven uitwisselingsprotocollen. Sommige parameters, bijvoorbeeld prestaties, worden uitgedrukt in abstracte termen: hoog / laag. Numerieke equivalenten zijn te vinden in artikelen over prestatieanalyse.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Fysieke laag
|
100/1000 BASIS-TX
|
100/1000 BASIS-TX
|
100/1000 BASIS-TX
|
100/1000 BASIS-TX
|
100/1000 BASIS-TX
|
|
Gegevensniveau
|
Kanaal (Ethernet-frames)
|
Kanaal (Ethernet-frames)
|
Kanaal (Ethernetframes), Netwerk/transport (TCP/IP)
|
Netwerk/Transport(TCP/IP)
|
Netwerk/Transport(TCP/IP)
|
|
Realtime ondersteuning
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Geen
|
|
Производительность
|
Hoog
|
Hoog
|
IRT – hoog, RT – gemiddeld
|
Gemiddelde
|
laag
|
|
Kabellengte tussen knooppunten
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Overdracht fasen
|
Geen
|
Isochroon + asynchroon
|
IRT – isochroon + asynchroon, RT – asynchroon
|
Geen
|
Geen
|
|
Aantal knooppunten
|
65535
|
240
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
TCP/IP-netwerkbeperking
|
|
Botsingsresolutie
|
Ringtopologie
|
Kloksynchronisatie, transmissiefasen
|
Ringtopologie, transmissiefasen
|
Schakelaars, stertopologie
|
Schakelaars, stertopologie
|
|
Hot-swap
|
Geen
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Afhankelijk van de uitvoering
|
|
Kosten van apparatuur
|
laag
|
laag
|
Hoog
|
Gemiddelde
|
laag
|
De toepassingsgebieden van de beschreven uitwisselingsprotocollen, veldbussen en industriële netwerken zijn zeer divers. Van de chemische en automobielindustrie tot lucht- en ruimtevaarttechnologie en elektronicaproductie. Er is veel vraag naar snelle uitwisselingsprotocollen in real-time positioneringssystemen voor verschillende apparaten en in robotica.
Met welke protocollen heb je gewerkt en waar heb je deze toegepast? Deel uw ervaring in de reacties. 🙂
Bron: www.habr.com