rozmawialiśmy o tym, jak magistrale i protokoły działają w automatyce przemysłowej. Tym razem skupimy się na nowoczesnych rozwiązaniach roboczych: przyjrzymy się, jakie protokoły są stosowane w systemach na całym świecie. Rozważmy technologie niemieckich firm Beckhoff i Siemens, austriackiego B&R, amerykańskiego Rockwell Automation i rosyjskiego Fastwel. Przeanalizujemy także rozwiązania uniwersalne, niezwiązane z konkretnym producentem, takie jak EtherCAT i CAN.
Na końcu artykułu znajduje się tabela porównawcza z charakterystyką protokołów EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP i ModbusTCP.
W przeglądzie nie uwzględniliśmy protokołów PRP, HSR, OPC UA i innych, ponieważ Istnieją już doskonałe artykuły na ten temat na temat Habré autorstwa naszych kolegów inżynierów, którzy opracowują systemy automatyki przemysłowej. Na przykład, и .
Najpierw zdefiniujmy terminologię: Ethernet przemysłowy = sieć przemysłowa, Fieldbus = magistrala polowa. W rosyjskiej automatyce przemysłowej panuje zamieszanie w terminach związanych z magistralą polową i siecią przemysłową niższego poziomu. Często terminy te łączy się w jedno, niejasne pojęcie zwane „niższym poziomem”, które określa się zarówno jako magistralę polową, jak i magistralę podpoziomową, chociaż może to w ogóle nie być autobus.
Dlaczego tak jest?To zamieszanie wynika najprawdopodobniej z faktu, że w wielu nowoczesnych sterownikach połączenie modułów we/wy jest często realizowane przy użyciu płyty montażowej lub magistrali fizycznej. Oznacza to, że określone styki i złącza magistrali służą do łączenia kilku modułów w jedną jednostkę. Ale takie węzły z kolei mogą być połączone zarówno siecią przemysłową, jak i magistralą polową. W terminologii zachodniej istnieje wyraźny podział: sieć to sieć, autobus to autobus. Pierwszy jest oznaczony terminem Industrial Ethernet, drugi Fieldbus. W artykule zaproponowano użycie dla tych pojęć odpowiednio terminu „sieć przemysłowa” i terminu „magistrala polowa”.
Standard sieci przemysłowej EtherCAT opracowany przez firmę Beckhoff
Protokół EtherCAT i sieć przemysłowa to prawdopodobnie jedna z najszybszych metod transmisji danych w dzisiejszych systemach automatyki. Sieć EtherCAT z powodzeniem stosowana jest w rozproszonych systemach automatyki, gdzie współpracujące węzły są rozdzielone na duże odległości.
Protokół EtherCAT wykorzystuje standardowe ramki Ethernet do przesyłania telegramów, dzięki czemu pozostaje kompatybilny z każdym standardowym sprzętem Ethernet i tak naprawdę odbiór i transmisja danych może być zorganizowana na dowolnym kontrolerze Ethernet, pod warunkiem, że dostępne jest odpowiednie oprogramowanie.
Sterownik Beckhoff z zestawem modułów I/O. Źródło:
Specyfikacja protokołu jest otwarta i dostępna, ale tylko w ramach stowarzyszenia rozwojowego - EtherCAT Technology Group.
Oto jak działa EtherCAT (spektakl jest hipnotyzujący, niczym gra Zuma Inca):
Wysoka prędkość wymiany w tym protokole - a możemy mówić o jednostkach mikrosekund - jest realizowana dzięki temu, że twórcy odmówili wymiany za pomocą telegramów wysyłanych bezpośrednio do konkretnego urządzenia. Zamiast tego do sieci EtherCAT wysyłany jest jeden telegram, adresowany do wszystkich urządzeń jednocześnie, każdy z węzłów podrzędnych zbierających i przesyłających informacje (często nazywane są też OSO – obiektowe urządzenie komunikacyjne) pobiera z niego „w locie” dane, które były dla niego przeznaczone i umieszcza w telegramie dane, które jest gotowy udostępnić do wymiany. Telegram jest następnie wysyłany do następnego węzła podrzędnego, gdzie następuje ta sama operacja. Po przejściu przez wszystkie urządzenia sterujące telegram wraca do sterownika głównego, który na podstawie danych otrzymanych od urządzeń podrzędnych realizuje logikę sterowania, ponownie wchodząc w interakcję za pośrednictwem telegramu z węzłami podrzędnymi, które wysyłają sygnał sterujący do wyposażenie.
Sieć EtherCAT może mieć dowolną topologię, jednak w istocie zawsze będzie to pierścień - ze względu na zastosowanie trybu full duplex i dwa złącza Ethernet. W ten sposób telegram będzie zawsze przesyłany sekwencyjnie do każdego urządzenia na magistrali.
Schematyczne przedstawienie sieci Ethercat z wieloma węzłami. Źródło:
Nawiasem mówiąc, specyfikacja EtherCAT nie zawiera ograniczeń dotyczących warstwy fizycznej 100Base-TX, dlatego możliwa jest implementacja protokołu w oparciu o linie gigabitowe i optyczne.
Otwarte sieci przemysłowe i standardy PROFIBUS/NET firmy Siemens
Niemiecki koncern Siemens od dawna znany jest ze swoich programowalnych sterowników logicznych (PLC), które są stosowane na całym świecie.
Wymiana danych pomiędzy węzłami zautomatyzowanego systemu sterowanego przez urządzenia firmy Siemens odbywa się zarówno poprzez magistralę polową zwaną PROFIBUS, jak i w sieci przemysłowej PROFINET.
Magistrala PROFIBUS wykorzystuje specjalny dwużyłowy kabel ze złączami DB-9. Siemens ma to w kolorze fioletowym, ale inne widzieliśmy w praktyce :). Aby połączyć wiele węzłów, złącze może połączyć dwa kable. Posiada również przełącznik rezystora końcowego. Na urządzeniach końcowych sieci należy załączyć rezystor końcowy, sygnalizując w ten sposób, że jest to pierwsze lub ostatnie urządzenie, a po nim nie ma już nic, tylko ciemność i pustka (wszystkie rs485 tak działają). Jeśli włączysz rezystor na złączu pośrednim, sekcja po nim zostanie wyłączona.
Kabel PROFIBUS ze złączami przyłączeniowymi. Źródło:
Sieć PROFINET wykorzystuje skrętkę analogową, zwykle ze złączami RJ-45, kabel jest w kolorze zielonym. Jeśli topologią PROFIBUS jest magistrala, topologią sieci PROFINET może być dowolna: pierścień, gwiazda, drzewo lub wszystko razem.
Sterownik Siemens z podłączonym kablem PROFINET. Źródło: w3.siemens.com
Istnieje kilka protokołów komunikacyjnych na magistrali PROFIBUS iw sieci PROFINET.
Dla PROFIBUS:
- PROFIBUS DP – realizacja tego protokołu polega na komunikacji ze zdalnymi urządzeniami typu slave, w przypadku PROFINET protokół ten odpowiada protokołowi PROFINET IO.
- PROFIBUS PA to zasadniczo to samo co PROFIBUS DP, stosowany jedynie w przeciwwybuchowych wersjach transmisji danych i zasilania (analogicznie do PROFIBUS DP o innych właściwościach fizycznych). Dla PROFINET nie istnieje jeszcze protokół przeciwwybuchowy podobny do PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - przeznaczony do wymiany danych z systemami innych producentów, które nie mogą wykorzystywać PROFIBUS DP. Analogiem PROFIBUS FMS w sieci PROFINET jest protokół PROFINET CBA.
Dla PROFINETU:
- PROFINET I/O;
- PROFINET CBA.
Protokół PROFINET IO jest podzielony na kilka klas:
- PROFINET NRT (nie w czasie rzeczywistym) - stosowany w aplikacjach, w których parametry taktowania nie są krytyczne. Wykorzystuje protokół transmisji danych Ethernet TCP/IP oraz UDP/IP.
- PROFINET RT (czas rzeczywisty) – tutaj wymiana danych I/O realizowana jest przy użyciu ramek Ethernet, ale dane diagnostyczne i komunikacyjne nadal przesyłane są poprzez UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – protokół ten został opracowany specjalnie do zastosowań związanych ze sterowaniem ruchem i obejmuje fazę izochronicznego przesyłania danych.
Jeśli chodzi o implementację protokołu czasu rzeczywistego PROFINET IRT, to dla komunikacji z urządzeniami zdalnymi wyróżnia się dwa kanały wymiany: izochroniczny i asynchroniczny. Kanał izochroniczny o stałej długości cyklu wymiany wykorzystuje synchronizację zegara i przesyła dane krytyczne czasowo, do transmisji wykorzystywane są telegramy drugiego poziomu. Czas transmisji w kanale izochronicznym nie przekracza 1 milisekundy.
Kanał asynchroniczny przesyła tzw. dane w czasie rzeczywistym, które są również adresowane poprzez adres MAC. Dodatkowo różne informacje diagnostyczne i pomocnicze są przesyłane przez protokół TCP/IP. Ani dane w czasie rzeczywistym, ani tym bardziej inne informacje nie mogą oczywiście przerwać cyklu izochronicznego.
Rozszerzony zestaw funkcji PROFINET IO nie jest potrzebny dla każdego systemu automatyki przemysłowej, dlatego protokół ten jest skalowany pod konkretny projekt, z uwzględnieniem klas zgodności lub klas zgodności: CC-A, CC-B, CC-CC. Klasy zgodności umożliwiają wybór urządzeń obiektowych i komponentów szkieletowych o minimalnej wymaganej funkcjonalności.
Źródło:
Drugi protokół wymiany w sieci PROFINET – PROFINET CBA – służy do organizowania komunikacji przemysłowej pomiędzy urządzeniami różnych producentów. Główną jednostką produkcyjną w systemach IAS jest pewna jednostka zwana komponentem. Komponent ten to zazwyczaj zbiór mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych części urządzenia lub instalacji, a także powiązane oprogramowanie. Dla każdego komponentu wybierany jest moduł oprogramowania, który zawiera pełny opis interfejsu tego komponentu zgodnie z wymaganiami standardu PROFINET. Następnie te moduły oprogramowania służą do wymiany danych z urządzeniami.
Protokół B&R Ethernet POWERLINK
Protokół Powerlink został opracowany przez austriacką firmę B&R na początku XXI wieku. To kolejna implementacja protokołu czasu rzeczywistego, będąca uzupełnieniem standardu Ethernet. Specyfikacja protokołu jest dostępna i rozpowszechniana bezpłatnie.
Technologia Powerlink wykorzystuje tzw. mechanizm mieszanego odpytywania, gdy cała interakcja pomiędzy urządzeniami jest podzielona na kilka faz. Szczególnie krytyczne dane przesyłane są w fazie wymiany izochronicznej, dla której konfigurowany jest wymagany czas odpowiedzi, pozostałe dane będą przesyłane w miarę możliwości w fazie asynchronicznej.
Kontroler B&R z zestawem modułów I/O. Źródło: br-automation.com
Protokół został pierwotnie zaimplementowany na warstwie fizycznej 100Base-TX, ale później opracowano implementację gigabitową.
Protokół Powerlink wykorzystuje mechanizm planowania komunikacji. Do sieci wysyłany jest określony komunikat znacznikowy lub kontrolny, za pomocą którego określa się, które z urządzeń ma aktualnie uprawnienia do wymiany danych. Dostęp do centrali może mieć w danym momencie tylko jedno urządzenie.
Schematyczne przedstawienie sieci Ethernet POWERLINK z wieloma węzłami.
W fazie izochronicznej kontroler odpytywania wysyła sekwencyjnie żądanie do każdego węzła, z którego potrzebuje otrzymać krytyczne dane.
Faza izochroniczna realizowana jest, jak już wspomniano, z regulowanym czasem cyklu. W asynchronicznej fazie wymiany wykorzystywany jest stos protokołów IP, kontroler żąda niekrytycznych danych od wszystkich węzłów, które wysyłają odpowiedź po uzyskaniu dostępu do transmisji do sieci. Stosunek czasu pomiędzy fazami izochronicznymi i asynchronicznymi można regulować ręcznie.
Protokół Ethernet/IP firmy Rockwell Automation
Protokół EtherNet/IP został opracowany przy aktywnym udziale amerykańskiej firmy Rockwell Automation w 2000 roku. Wykorzystuje stos TCP i UDP IP i rozszerza go o zastosowania automatyki przemysłowej. Druga część nazwy wbrew powszechnemu przekonaniu nie oznacza protokołu internetowego, ale protokół przemysłowy. UDP IP korzysta ze stosu komunikacyjnego CIP (Common Interface Protocol), który jest również używany w sieciach ControlNet/DeviceNet i jest zaimplementowany na bazie protokołu TCP/IP.
Specyfikacja EtherNet/IP jest publicznie dostępna i dostępna bezpłatnie. Topologia sieci Ethernet/IP może być dowolna i obejmować pierścień, gwiazdę, drzewo lub magistralę.
Oprócz standardowych funkcji protokołów HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, realizuje transfer danych krytycznych czasowo pomiędzy kontrolerem odpytywania a urządzeniami I/O. Przesyłanie danych niekrytycznych czasowo odbywa się za pomocą pakietów TCP, natomiast krytyczne czasowo dostarczanie cyklicznych danych sterujących odbywa się za pośrednictwem protokołu UDP.
Do synchronizacji czasu w systemach rozproszonych sieć EtherNet/IP wykorzystuje protokół CIPsync, który jest rozszerzeniem protokołu komunikacyjnego CIP.
Schematyczne przedstawienie sieci Ethernet/IP z kilkoma węzłami i podłączeniem urządzeń Modbus. Źródło:
Aby uprościć konfigurację sieci EtherNet/IP, większość standardowych urządzeń automatyki jest dostarczana z predefiniowanymi plikami konfiguracyjnymi.
Wdrożenie protokołu FBUS w firmie Fastwel
Długo zastanawialiśmy się, czy umieścić na tej liście rosyjską firmę Fastwel z jej krajowym wdrożeniem protokołu przemysłowego FBUS, ale potem postanowiliśmy napisać kilka akapitów, aby lepiej zrozumieć realia substytucji importu.
Istnieją dwie fizyczne implementacje FBUS. Jedną z nich jest magistrala, w której protokół FBUS działa na bazie standardu RS485. Dodatkowo istnieje implementacja FBUS w przemysłowej sieci Ethernet.
FBUS trudno nazwać protokołem o dużej szybkości; czas odpowiedzi silnie zależy od liczby modułów I/O na magistrali i parametrów wymiany; zwykle waha się od 0,5 do 10 milisekund. Jeden węzeł podrzędny FBUS może zawierać tylko 64 moduły we/wy. W przypadku magistrali polowej długość kabla nie może przekraczać 1 metra, więc nie mówimy o systemach rozproszonych. A raczej tak, ale tylko w przypadku korzystania z przemysłowej sieci FBUS przez TCP/IP, co oznacza kilkukrotne wydłużenie czasu odpytywania. Do łączenia modułów można zastosować przedłużacze magistralne, co pozwala na wygodne rozmieszczenie modułów w szafie automatyki.
Kontroler Fastwel z podłączonymi modułami I/O. Źródło:
Razem: jak to wszystko jest wykorzystywane w praktyce w zautomatyzowanych systemach sterowania procesami
Oczywiście różnorodność typów nowoczesnych przemysłowych protokołów przesyłania danych jest znacznie większa niż opisaliśmy w tym artykule. Niektóre są powiązane z konkretnym producentem, inne, wręcz przeciwnie, są uniwersalne. Opracowując zautomatyzowane systemy sterowania procesami (APS), inżynier wybiera optymalne protokoły, biorąc pod uwagę konkretne zadania i ograniczenia (techniczne i budżetowe).
Jeśli mówimy o powszechności określonego protokołu wymiany, możemy przedstawić schemat firmy HMS Networks AB, co ilustruje udziały rynkowe różnych technologii wymiany w sieciach przemysłowych.
Źródło:
Jak widać na schemacie, czołową pozycję zajmują PRONET i PROFIBUS firmy Siemens.
Co ciekawe, 6 lat temu .
Poniższa tabela zawiera zestawienie danych dotyczących opisanych protokołów wymiany. Niektóre parametry, na przykład wydajność, są wyrażone w kategoriach abstrakcyjnych: wysoki / niski. Odpowiedniki liczbowe można znaleźć w artykułach poświęconych analizie wydajności.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
Modbus TCP
|
|
Warstwa fizyczna
|
100/1000BASE-TX
|
100/1000BASE-TX
|
100/1000BASE-TX
|
100/1000BASE-TX
|
100/1000BASE-TX
|
|
Poziom danych
|
Kanał (ramki Ethernet)
|
Kanał (ramki Ethernet)
|
Kanał (ramki Ethernet), Sieć/transport (TCP/IP)
|
Sieć/Transport (TCP/IP)
|
Sieć/Transport (TCP/IP)
|
|
Wsparcie w czasie rzeczywistym
|
Tak
|
Tak
|
Tak
|
Tak
|
Nie
|
|
produktywność
|
Wysoki
|
Wysoki
|
IRT – wysoki, RT – średni
|
Średnia
|
niski
|
|
Długość kabla między węzłami
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fazy transferowe
|
Nie
|
Izochroniczny + asynchroniczny
|
IRT – izochroniczny + asynchroniczny, RT – asynchroniczny
|
Nie
|
Nie
|
|
Liczba węzłów
|
65535
|
240
|
Ograniczenia sieci TCP/IP
|
Ograniczenia sieci TCP/IP
|
Ograniczenia sieci TCP/IP
|
|
Rozwiązywanie kolizji
|
Topologia pierścienia
|
Synchronizacja zegarów, fazy transmisji
|
Topologia pierścienia, fazy transmisji
|
Przełączniki, topologia gwiazdy
|
Przełączniki, topologia gwiazdy
|
|
Wymiana na gorąco
|
Nie
|
Tak
|
Tak
|
Tak
|
W zależności od wdrożenia
|
|
Koszt wyposażenia
|
niski
|
niski
|
Wysoki
|
Średnia
|
niski
|
Obszary zastosowań opisanych protokołów wymiany, magistrali polowych i sieci przemysłowych są bardzo zróżnicowane. Od przemysłu chemicznego i motoryzacyjnego po technologię lotniczą i produkcję elektroniki. Protokoły szybkiej wymiany danych są poszukiwane w systemach pozycjonowania w czasie rzeczywistym dla różnych urządzeń oraz w robotyce.
Z jakimi protokołami pracowałeś i gdzie je zastosowałeś? Podziel się swoimi doświadczeniami w komentarzach. 🙂
Źródło: www.habr.com