vi snakket om hvordan busser og protokoller fungerer i industriell automasjon. Denne gangen vil vi fokusere på moderne arbeidsløsninger: vi skal se på hvilke protokoller som brukes i systemer rundt om i verden. La oss vurdere teknologiene til de tyske selskapene Beckhoff og Siemens, den østerrikske B&R, den amerikanske Rockwell Automation og den russiske Fastwel. Vi skal også studere universelle løsninger som ikke er knyttet til en spesifikk produsent, som EtherCAT og CAN.
På slutten av artikkelen vil det være en sammenligningstabell med egenskapene til EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP og ModbusTCP-protokollene.
Vi inkluderte ikke PRP, HSR, OPC UA og andre protokoller i anmeldelsen, fordi Det er allerede utmerkede artikler om dem på Habré av våre medingeniører som utvikler industrielle automasjonssystemer. For eksempel, и .
Først, la oss definere terminologien: Industrielt Ethernet = industrielt nettverk, Fieldbus = feltbuss. I russisk industriell automasjon er det forvirring i termer knyttet til feltbussen og industrinettverket på lavere nivå. Ofte kombineres disse begrepene til et enkelt, vagt konsept kalt "lavere nivå", som omtales som både en feltbuss og en buss på undernivå, selv om det kanskje ikke er en buss i det hele tatt.
Hvorfor så?Denne forvirringen er mest sannsynlig på grunn av det faktum at i mange moderne kontrollere, er tilkobling av I/O-moduler ofte implementert ved hjelp av et bakplan eller en fysisk buss. Det vil si at visse busskontakter og kontakter brukes til å kombinere flere moduler til en enkelt enhet. Men slike noder kan på sin side kobles sammen med både et industrielt nettverk og en feltbuss. I vestlig terminologi er det en klar inndeling: et nettverk er et nettverk, en buss er en buss. Den første er betegnet med begrepet Industrial Ethernet, den andre av Fieldbus. Artikkelen foreslår å bruke henholdsvis begrepet «industrielt nettverk» og begrepet «feltbuss» for disse konseptene.
Industriell nettverksstandard EtherCAT, utviklet av Beckhoff
EtherCAT-protokollen og industrinettverket er kanskje en av de raskeste metodene for dataoverføring i automasjonssystemer i dag. EtherCAT-nettverket er vellykket brukt i distribuerte automasjonssystemer, der samvirkende noder separeres over lange avstander.
EtherCAT-protokollen bruker standard Ethernet-rammer for å overføre telegrammene, så den forblir kompatibel med ethvert standard Ethernet-utstyr, og faktisk kan datamottak og -overføring organiseres på en hvilken som helst Ethernet-kontroller, forutsatt at passende programvare er tilgjengelig.
Beckhoff-kontroller med et sett med I/O-moduler. Kilde:
Protokollspesifikasjonen er åpen og tilgjengelig, men kun innenfor rammen av utviklingsforeningen - EtherCAT Technology Group.
Slik fungerer EtherCAT (skuespillet er fascinerende, som spillet Zuma Inca):
Den høye utvekslingshastigheten i denne protokollen - og vi kan snakke om enheter på mikrosekunder - er realisert på grunn av det faktum at utviklerne nektet å utveksle ved hjelp av telegrammer sendt direkte til en bestemt enhet. I stedet sendes ett telegram til EtherCAT-nettverket, adressert til alle enheter på samme tid, hver av slavenodene for innsamling og overføring av informasjon (de kalles også ofte OSO - objektkommunikasjonsenhet) tar fra den "i farten" dataene som var ment for det og setter inn i et telegram dataene som han er klar til å gi for utveksling. Telegrammet sendes deretter til neste slavenode, hvor samme operasjon skjer. Etter å ha passert gjennom alle kontrollenhetene, returneres telegrammet til hovedkontrolleren, som, basert på dataene mottatt fra slaveenhetene, implementerer kontrolllogikken, og samhandler igjen gjennom telegrammet med slavenodene, som avgir et kontrollsignal til utstyret.
Et EtherCAT-nettverk kan ha hvilken som helst topologi, men i hovedsak vil det alltid være en ring – på grunn av bruken av full dupleksmodus og to Ethernet-kontakter. På denne måten vil telegrammet alltid sendes sekvensielt til hver enhet på bussen.
Skjematisk representasjon av et Ethercat-nettverk med flere noder. Kilde:
Forresten, EtherCAT-spesifikasjonen inneholder ikke restriksjoner på det fysiske laget 100Base-TX, så implementering av protokollen er mulig basert på gigabit og optiske linjer.
Åpne industrielle nettverk og PROFIBUS/NET-standarder fra Siemens
Det tyske selskapet Siemens har lenge vært kjent for sine programmerbare logiske kontroller (PLC), som brukes over hele verden.
Datautveksling mellom noder i et automatisert system styrt av Siemens utstyr utføres både via en feltbuss kalt PROFIBUS og i PROFINET industrinettverk.
PROFIBUS-bussen bruker en spesiell to-leder kabel med DB-9-kontakter. Siemens har den i lilla, men vi har sett andre i praksis :). For å koble til flere noder kan en kontakt koble til to kabler. Den har også en bryter for terminalmotstanden. Terminalmotstanden må slås på ved endeenhetene til nettverket, og indikerer dermed at dette er den første eller siste enheten, og etter den er det ingenting, bare mørke og tomhet (alle rs485-er fungerer slik). Hvis du slår på en motstand på den mellomliggende kontakten, vil delen etter den bli slått av.
PROFIBUS-kabel med tilkoblingskontakter. Kilde:
PROFINET-nettverket bruker en analog tvunnet parkabel, vanligvis med RJ-45-kontakter, kabelen er farget grønn. Hvis topologien til PROFIBUS er en buss, kan topologien til PROFINET-nettverket være hva som helst: en ring, en stjerne, et tre eller alt sammen.
Siemens-kontroller med tilkoblet PROFINET-kabel. Kilde: w3.siemens.com
Det finnes flere kommunikasjonsprotokoller på PROFIBUS-bussen og i PROFINET-nettverket.
For PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementeringen av denne protokollen innebærer kommunikasjon med eksterne slaveenheter; for PROFINET tilsvarer denne protokollen PROFINET IO-protokollen.
- PROFIBUS PA er i hovedsak det samme som PROFIBUS DP, kun brukt for eksplosjonssikre versjoner av dataoverføring og strømforsyning (analogt med PROFIBUS DP med forskjellige fysiske egenskaper). For PROFINET finnes det ennå ikke en eksplosjonssikker protokoll som ligner på PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - designet for datautveksling med systemer fra andre produsenter som ikke kan bruke PROFIBUS DP. PROFIBUS FMS-analogen i PROFINET-nettverket er PROFINET CBA-protokollen.
For PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO-protokollen er delt inn i flere klasser:
- PROFINET NRT (ikke-sanntid) - brukes i applikasjoner der tidsparametere ikke er kritiske. Den bruker Ethernet TCP/IP-dataoverføringsprotokollen samt UDP/IP.
- PROFINET RT (sanntid) - her implementeres I/O-datautveksling ved hjelp av Ethernet-rammer, men diagnose- og kommunikasjonsdata overføres fortsatt via UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Denne protokollen ble utviklet spesielt for bevegelseskontrollapplikasjoner og inkluderer en isokron dataoverføringsfase.
Når det gjelder implementeringen av PROFINET IRT hard sanntidsprotokoll, for kommunikasjon med eksterne enheter skiller den to utvekslingskanaler: isokron og asynkron. En isokron kanal med en fast utvekslingssykluslengde bruker klokkesynkronisering og overfører tidskritiske data; andrenivå-telegrammer brukes til overføring. Overføringsvarigheten i en isokron kanal overstiger ikke 1 millisekund.
Den asynkrone kanalen overfører såkalte sanntidsdata, som også adresseres via en MAC-adresse. I tillegg overføres diverse diagnose- og hjelpeinformasjon over TCP/IP. Verken sanntidsdata, langt mindre annen informasjon, selvfølgelig, kan avbryte den isokrone syklusen.
Det utvidede settet med PROFINET IO-funksjoner er ikke nødvendig for alle industrielle automasjonssystemer, så denne protokollen er skalert for et spesifikt prosjekt, og tar hensyn til samsvarsklasser eller samsvarsklasser: CC-A, CC-B, CC-CC. Samsvarsklasser lar deg velge feltenheter og ryggradskomponenter med minimum påkrevd funksjonalitet.
Kilde:
Den andre utvekslingsprotokollen i PROFINET-nettverket - PROFINET CBA - brukes til å organisere industriell kommunikasjon mellom utstyr fra forskjellige produsenter. Hovedproduksjonsenheten i IAS-systemer er en bestemt enhet kalt en komponent. Denne komponenten er vanligvis en samling av mekaniske, elektriske og elektroniske deler av en enhet eller installasjon, samt tilhørende applikasjonsprogramvare. For hver komponent velges en programvaremodul som inneholder en fullstendig beskrivelse av grensesnittet til denne komponenten i henhold til kravene i PROFINET-standarden. Deretter brukes disse programvaremodulene til å utveksle data med enheter.
B&R Ethernet POWERLINK-protokoll
Powerlink-protokollen ble utviklet av det østerrikske selskapet B&R på begynnelsen av 2000-tallet. Dette er nok en implementering av en sanntidsprotokoll på toppen av Ethernet-standarden. Protokollspesifikasjonen er tilgjengelig og distribuert fritt.
Powerlink-teknologien bruker en såkalt mixed polling-mekanisme, når all interaksjon mellom enheter er delt inn i flere faser. Spesielt kritiske data overføres i den isokrone utvekslingsfasen, for hvilken den nødvendige responstiden er konfigurert; de resterende dataene vil bli overført, når det er mulig, i den asynkrone fasen.
B&R-kontroller med et sett med I/O-moduler. Kilde: br-automation.com
Protokollen ble opprinnelig implementert på toppen av det fysiske 100Base-TX-laget, men senere ble en gigabit-implementering utviklet.
Powerlink-protokollen bruker en mekanisme for kommunikasjonsplanlegging. En bestemt markør eller kontrollmelding sendes til nettverket, ved hjelp av hvilken det bestemmes hvilke av enhetene som for øyeblikket har tillatelse til å utveksle data. Bare én enhet kan ha tilgang til sentralen om gangen.
Skjematisk representasjon av et Ethernet POWERLINK-nettverk med flere noder.
I den isokrone fasen sender pollingkontrolleren sekvensielt en forespørsel til hver node som den trenger å motta kritiske data fra.
Den isokrone fasen utføres, som allerede nevnt, med en justerbar syklustid. I den asynkrone fasen av sentralen brukes IP-protokollstakken, kontrolleren ber om ikke-kritiske data fra alle noder, som sender et svar etter hvert som de får tilgang til å sende til nettverket. Tidsforholdet mellom de isokrone og asynkrone fasene kan justeres manuelt.
Rockwell Automation Ethernet/IP-protokoll
EtherNet/IP-protokollen ble utviklet med aktiv deltakelse av det amerikanske selskapet Rockwell Automation i 2000. Den bruker TCP- og UDP IP-stabelen, og utvider den for industrielle automasjonsapplikasjoner. Den andre delen av navnet, i motsetning til populær tro, betyr ikke Internett-protokoll, men industriell protokoll. UDP IP bruker kommunikasjonsstakken CIP (Common Interface Protocol), som også brukes i ControlNet/DeviceNet-nettverk og implementeres på toppen av TCP/IP.
EtherNet/IP-spesifikasjonen er offentlig tilgjengelig og fritt tilgjengelig. Ethernet/IP-nettverkstopologien kan være vilkårlig og inkludere ring, stjerne, tre eller buss.
I tillegg til standardfunksjonene til HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet/IP-protokollene, implementerer den overføring av tidskritiske data mellom pollingkontrolleren og I/O-enheter. Overføringen av ikke-tidskritiske data leveres av TCP-pakker, og den tidskritiske leveringen av sykliske kontrolldata utføres via UDP-protokollen.
For å synkronisere tid i distribuerte systemer, bruker EtherNet/IP CIPsync-protokollen, som er en utvidelse av CIP-kommunikasjonsprotokollen.
Skjematisk fremstilling av et Ethernet/IP-nettverk med flere noder og tilkobling av Modbus-enheter. Kilde:
For å forenkle EtherNet/IP-nettverksoppsettet kommer de fleste standard automatiseringsenheter med forhåndsdefinerte konfigurasjonsfiler.
Implementering av FBUS-protokollen på Fastwel
Vi tenkte lenge på om vi skulle inkludere det russiske selskapet Fastwel i denne listen med sin innenlandske implementering av FBUS-industriprotokollen, men så bestemte vi oss for å skrive et par avsnitt for en bedre forståelse av realitetene ved importsubstitusjon.
Det er to fysiske implementeringer av FBUS. En av dem er en buss der FBUS-protokollen kjører på toppen av RS485-standarden. I tillegg er det en implementering av FBUS i et industrielt Ethernet-nettverk.
FBUS kan knapt kalles en høyhastighetsprotokoll; responstiden avhenger sterkt av antall I/O-moduler på bussen og av utvekslingsparametrene; den varierer vanligvis fra 0,5 til 10 millisekunder. Én FBUS slavenode kan bare inneholde 64 I/O-moduler. For en feltbuss kan ikke kabellengden overstige 1 meter, så vi snakker ikke om distribuerte systemer. Eller rettere sagt, det gjør det, men bare ved bruk av et industrielt FBUS-nettverk over TCP/IP, noe som betyr en økning i polling-tiden flere ganger. Busskjøteledninger kan brukes til å koble til moduler, noe som muliggjør praktisk plassering av moduler i automatiseringsskapet.
Fastwel-kontroller med tilkoblede I/O-moduler. Kilde:
Totalt: hvordan alt dette brukes i praksis i automatiserte prosesskontrollsystemer
Naturligvis er variasjonen av typer moderne industrielle dataoverføringsprotokoller mye større enn vi beskrev i denne artikkelen. Noen er knyttet til en bestemt produsent, noen er tvert imot universelle. Ved utvikling av automatiserte prosesskontrollsystemer (APCS), velger ingeniøren de optimale protokollene, og tar hensyn til spesifikke oppgaver og begrensninger (tekniske og budsjettmessige).
Hvis vi snakker om utbredelsen av en bestemt utvekslingsprotokoll, kan vi gi et diagram over selskapet HMS Networks AB, som illustrerer markedsandelene til ulike utvekslingsteknologier i industrielle nettverk.
Kilde:
Som det fremgår av diagrammet, inntar PRONET og PROFIBUS fra Siemens de ledende posisjonene.
Interessant nok for 6 år siden .
Tabellen nedenfor inneholder sammendragsdata om de beskrevne utvekslingsprotokollene. Noen parametere, for eksempel ytelse, uttrykkes i abstrakte termer: høy / lav. Numeriske ekvivalenter finnes i artikler om ytelsesanalyse.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fysisk lag
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Datanivå
|
Kanal (Ethernet-rammer)
|
Kanal (Ethernet-rammer)
|
Kanal (Ethernet-rammer), Nettverk/transport (TCP/IP)
|
Nettverk/transport (TCP/IP)
|
Nettverk/transport (TCP/IP)
|
|
Sanntidsstøtte
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ikke
|
|
Производительность
|
Høy
|
Høy
|
IRT – høy, RT – middels
|
Gjennomsnittlig
|
lav
|
|
Kabellengde mellom noder
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Overføringsfaser
|
Ikke
|
Isokron + asynkron
|
IRT – isokron + asynkron, RT – asynkron
|
Ikke
|
Ikke
|
|
Antall noder
|
65535
|
240
|
TCP/IP-nettverksbegrensning
|
TCP/IP-nettverksbegrensning
|
TCP/IP-nettverksbegrensning
|
|
Kollisjonsoppløsning
|
Ringtopologi
|
Klokkesynkronisering, overføringsfaser
|
Ringtopologi, overføringsfaser
|
Brytere, stjernetopologi
|
Brytere, stjernetopologi
|
|
Hot swap
|
Ikke
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Avhengig av gjennomføringen
|
|
Kostnader for utstyr
|
lav
|
lav
|
Høy
|
Gjennomsnittlig
|
lav
|
Bruksområdene til de beskrevne utvekslingsprotokollene, feltbusser og industrielle nettverk er svært forskjellige. Fra kjemisk industri og bilindustri til romfartsteknologi og elektronikkproduksjon. Høyhastighets utvekslingsprotokoller er etterspurt i sanntidsposisjoneringssystemer for ulike enheter og innen robotikk.
Hvilke protokoller jobbet du med og hvor brukte du dem? Del opplevelsen din i kommentarene. 🙂
Kilde: www.habr.com