Uma visão geral dos protocolos modernos em sistemas de automação industrial

Na publicação anterior falamos sobre como funcionam os barramentos e protocolos na automação industrial. Desta vez, vamos nos concentrar nas soluções de trabalho modernas: veremos quais protocolos estão sendo usados em sistemas ao redor do mundo. Vamos examinar as tecnologias das empresas alemãs Beckhoff e Siemens, a austríaca B&R, a americana Rockwell Automation e a russa Fastwel. Também estudaremos soluções universais que não estão atreladas a um fabricante específico, como EtherCAT e CAN. 

No final do artigo, haverá uma tabela comparativa com as características dos protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP e ModbusTCP.

Não incluímos em nossa análise os protocolos PRP, HSR, OPC UA e outros, pois já existem ótimos artigos de nossos colegas engenheiros no Habr, que trabalham no desenvolvimento de sistemas de automação industrial. Por exemplo, «Protocolos de reserva “sem costura” PRP e HSR» e «Gateways de protocolos industriais no Linux. Monte você mesmo».

Para começar, vamos definir a terminologia: Industrial Ethernet = rede industrial, Fieldbus = barramento de campo. Na automação industrial russa, há uma certa confusão terminológica que envolve barramentos de campo e redes industriais de nível inferior. Muitas vezes, esses termos são agrupados em um conceito indistinto de "nível inferior", que é chamado tanto de barramento de campo quanto de barramento de nível inferior, embora isso possa não ser um barramento de forma alguma.

Por que isso acontece?Tal confusão está provavelmente relacionada ao fato de que, em muitos controladores modernos, a conexão dos módulos de entrada e saída geralmente é realizada através de um painel de interconexão (backplane, em inglês) ou barramento físico. Ou seja, são usados contatos e conectores de barramento para unir vários módulos em um único nó. No entanto, tais nós, por sua vez, podem estar conectados entre si tanto por uma rede industrial quanto por um barramento de campo. Na terminologia ocidental, há uma clara distinção: uma rede é uma rede, um barramento é um barramento. O primeiro é designado pelo termo Industrial Ethernet, o segundo pelo termo Fieldbus. Neste artigo, propõe-se usar o termo "rede industrial" e o termo "barramento de campo", respectivamente.

O padrão da rede industrial EtherCAT, desenvolvido pela Beckhoff

O protocolo e a rede industrial EtherCAT são, sem dúvida, uma das maneiras mais rápidas de transmissão de dados em sistemas de automação. A rede EtherCAT é amplamente utilizada em sistemas de automação distribuídos, onde os nós interativos estão espalhados por grandes distâncias.

O protocolo EtherCAT utiliza quadros Ethernet padrão para transmitir suas telegramas, mantendo assim a compatibilidade com qualquer equipamento Ethernet padrão e, essencialmente, a recepção e a transmissão de dados podem ser organizadas em qualquer controlador Ethernet, desde que o software apropriado esteja disponível.

Controlador Beckhoff com um conjunto de módulos de entrada e saída. Fonte: www.beckhoff.de

A especificação do protocolo é aberta e disponível, mas apenas dentro da associação de desenvolvimento — EtherCAT Technology Group.

Veja como o EtherCAT funciona (a visão é impressionante, como o jogo Zuma Inca):

A alta velocidade de troca neste protocolo — que pode ser em unidades de microsegundos — é realizada porque os desenvolvedores abandonaram a troca de telegramas enviados diretamente para dispositivos específicos. Em vez disso, uma única telegrama é enviada para a rede EtherCAT, endereçada a todos os dispositivos simultaneamente. Cada um dos nós subordinados de coleta e transmissão de informações (também conhecidos como DISO — Dispositivos de Conexão com Objetos) retira 'no ar' os dados que lhe são destinados e insere na telegrama os dados que está pronto para compartilhar. Após isso, a telegrama é enviada para o próximo nó subordinado, onde a mesma operação ocorre. Após passar por todos os DISO, a telegrama retorna ao controlador principal, que, com base nos dados recebidos dos dispositivos subordinados, implementa a lógica de controle, novamente interagindo por meio da telegrama com os nós subordinados, que emitem o sinal de controle para o equipamento.

A rede EtherCAT pode ter qualquer topologia, mas na essência, sempre será um anel — devido ao uso de modo full duplex e duas portas Ethernet. Assim, a telegrama será sempre transmitida sequencialmente para cada dispositivo no barramento.

Representação esquemática da rede EtherCAT com vários nós. Fonte: realpars.com

Aliás, a especificação EtherCAT não contém limitações do nível físico 100Base-TX, portanto, a implementação do protocolo é possível com base em linhas de gigabit e ópticas.

Redes e padrões industriais abertos da PROFIBUS/NET da Siemens

O conglomerado alemão Siemens é bem conhecido por seus controladores lógicos programáveis (CLPs), que são usados em todo o mundo.

A troca de dados entre nós de um sistema automatizado sob o controle de equipamentos Siemens é realizada tanto por meio de um barramento de campo chamado PROFIBUS, quanto na rede industrial PROFINET.

O barramento PROFIBUS utiliza um cabo especial de dois fios com conectores DB-9. Na Siemens, ele é roxo, mas já encontramos outras cores na prática :). Para conectar vários nós, o conector pode unir dois cabos. Também há um interruptor para o resistor terminal. O resistor terminal deve ser ativado nos dispositivos finais da rede, assim indicando que este é o primeiro ou o último dispositivo, e que após ele não há mais nada, apenas escuridão e vazio (todos os rs485 funcionam assim). Se um resistor for ativado no conector intermediário, a seção seguinte será desativada.

Cabo PROFIBUS com conectores. Fonte: VIPA Controls America

Na rede PROFINET, usa-se um cabo semelhante ao par trançado, geralmente com conectores RJ-45, e o cabo é pintado de verde. Se a topologia do PROFIBUS é um barramento, a topologia da rede PROFINET pode ser qualquer coisa: seja um anel, uma estrela, uma árvore ou uma combinação de todas as anteriores.

Controlador Siemens com cabo PROFINET conectado. Fonte: w3.siemens.com

Existem vários protocolos para troca no barramento PROFIBUS e na rede PROFINET.

Para PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — a implementação deste protocolo pressupõe a comunicação com dispositivos escravos remotos, enquanto no caso do PROFINET, o protocolo correspondente é o PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — é essencialmente o mesmo que o PROFIBUS DP, mas usado para versões à prova de explosão de transmissão de dados e alimentação (análogo ao PROFIBUS DP com outras propriedades físicas). Até agora, não existe um protocolo à prova de explosão correspondente no PROFINET, semelhante ao PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS — destinado à troca de dados com sistemas de outros fabricantes que não podem usar o PROFIBUS DP. O protocolo análogo ao PROFIBUS FMS na rede PROFINET é o PROFINET CBA.

Para PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

O protocolo PROFINET IO é dividido em várias classes:

• PROFINET NRT (sem tempo real) é utilizado em aplicações onde parâmetros temporais não são críticos. Ele utiliza o protocolo de transmissão de dados Ethernet TCP/IP, assim como UDP/IP.
• PROFINET RT (tempo real) - aqui a troca de dados de entrada/saída é realizada através de quadros Ethernet, mas dados de diagnóstico e dados de comunicação ainda são transmitidos via UDP/IP. 
• PROFINET IRT (tempo real isocrônico) - este protocolo foi desenvolvido especificamente para aplicações de controle de movimento e inclui uma fase de transmissão de dados isocrônica.

Quanto à implementação do protocolo de tempo real rígido PROFINET IRT, para comunicação com dispositivos remotos, ele se destaca em dois canais de troca: isocrônico e assíncrono. O canal isocrônico, com um ciclo de troca de tempo fixo, utiliza sincronização de clock e transmite dados críticos em relação ao tempo, usando telegramas de segundo nível. A duração da transmissão no canal isocrônico não excede 1 milissegundo.

No canal assíncrono, são transmitidos os chamados dados em tempo real, que também são endereçados por meio de um endereço MAC. Informações diagnósticas e auxiliares adicionais são transmitidas sobre TCP/IP. Dados em tempo real e, ainda mais, outras informações não podem, evidentemente, interromper o ciclo isocrônico.

Conjunto avançado de funções PROFINET IO não é necessário para cada sistema de automação industrial, portanto, este protocolo é escalonado para um projeto específico, levando em consideração classes de conformidade ou classes de aplicação (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. As classes de conformidade permitem escolher dispositivos de campo e componentes de barramento com a funcionalidade mínima necessária. 

Fonte: PROFINET aula universitária

O segundo protocolo de troca na rede PROFINET — PROFINET CBA — destina-se a organizar a comunicação industrial entre equipamentos de diferentes fabricantes. A unidade de produção principal nos sistemas CBA é uma entidade chamada componente. Este componente geralmente consiste em uma combinação de partes mecânicas, elétricas e eletrônicas do dispositivo ou instalação, além do software aplicativo correspondente. Para cada componente, é escolhido um módulo de software que contém a descrição completa da interface desse componente de acordo com os requisitos do padrão PROFINET. Em seguida, esses módulos de software são utilizados para a troca de dados com dispositivos. 

O protocolo Ethernet POWERLINK da B&R

O protocolo Powerlink foi desenvolvido pela empresa austríaca B&R no início dos anos 2000. Esta é mais uma implementação de protocolo em tempo real sobre o padrão Ethernet. A especificação do protocolo está disponível e é distribuída livremente. 

Na tecnologia Powerlink, aplica-se um mecanismo chamado de polling misto, onde toda a interação entre dispositivos é dividida em várias fases. Dados especialmente críticos são transmitidos na fase isócrona de troca, para a qual é configurado o tempo de resposta necessário; os demais dados serão transmitidos quando possível na fase assíncrona.

Controlador B&R com conjunto de módulos de entrada e saída. Fonte: br-automation.com

Inicialmente, o protocolo foi implementado sobre o nível físico 100Base-TX, mas posteriormente uma implementação Gigabit foi desenvolvida.

No protocolo Powerlink, utiliza-se um mecanismo de agendamento de troca. Um marcador ou mensagem de controle é enviado para a rede, com o qual se determina qual dos dispositivos tem, no momento, a autorização para troca de dados. Em cada momento, apenas um dispositivo pode ter acesso à troca.

Representação esquemática da rede Ethernet POWERLINK com vários nós.

Na fase isócrona, o controlador que faz o polling envia sequencialmente solicitações para cada nó do qual se precisa obter dados críticos. 

A fase isócrona é realizada, como já mencionado, com um tempo de ciclo ajustável. Na fase assíncrona de troca, a pilha de protocolos IP é utilizada, e o controlador solicita dados não críticos a todos os nós, que enviam respostas à medida que conseguem acesso à transmissão na rede. A relação de tempo entre as fases isócrona e assíncrona pode ser ajustada manualmente.

Protocolo Ethernet/IP da Rockwell Automation

O protocolo EtherNet/IP foi desenvolvido com a participação ativa da empresa americana Rockwell Automation em 2000. Ele utiliza a pilha TCP e UDP IP, e a expande para aplicação na automação industrial. A segunda parte do nome, ao contrário da crença popular, não significa Internet Protocol, mas sim Industrial Protocol. O UDP IP utiliza a pilha de comunicação do protocolo CIP (Common Interface Protocol), que também é utilizado em redes ControlNet / DeviceNet e é implementado sobre TCP/IP.

A especificação EtherNet/IP é pública e distribuída gratuitamente. A topologia da rede Ethernet/IP pode ser arbitrária e incluir anel, estrela, árvore ou barramento.

Além das funções padrão dos protocolos HTTP, FTP, SMTP, o EtherNet/IP implementa a transmissão de dados críticos em tempo de entrega entre o controlador de interrogatório e os dispositivos de entrada/saída. A transmissão de dados não críticos em tempo é garantida por pacotes TCP, enquanto a entrega crítica de dados de controle cíclicos ocorre via protocolo UDP. 

Para sincronização de tempo em sistemas distribuídos, o EtherNet/IP utiliza o protocolo CIPsync, que é uma extensão do protocolo de comunicação CIP.

Diagrama esquemático da rede Ethernet/IP com vários nós e conexão de dispositivos Modbus. Fonte: www.icpdas.com.tw

Para facilitar a configuração da rede EtherNet/IP, a maioria dos dispositivos de automação padrão vem com arquivos de configuração predeterminados.

Implementação do protocolo FBUS pela empresa Fastwel

Demoramos para decidir se deveríamos incluir a empresa russa Fastwel com sua implementação doméstica do protocolo industrial FBUS nesta lista, mas acabamos decidindo escrever alguns parágrafos para melhor compreensão da realidade do desdobramento de importações.

Existem duas implementações físicas do FBUS. Uma delas é um barramento, onde o protocolo FBUS opera sobre o padrão RS485. Além disso, há uma implementação do FBUS em redes industriais Ethernet.

FBUS é difícil de chamar de um protocolo de alta performance, o tempo de resposta depende fortemente da quantidade de módulos de entrada e saída no barramento e dos parâmetros de troca, normalmente varia entre 0,5 e 10 milissegundos. Um único nó escravo FBUS pode conter apenas 64 módulos de entrada e saída. Para a rede de campo, o comprimento do cabo não pode ultrapassar 1 metro, portanto, sistemas distribuídos não são viáveis. Na verdade, são viáveis apenas ao usar a rede industrial FBUS sobre TCP/IP, o que significa um aumento do tempo de sondagem várias vezes. Extensores de barramento podem ser usados para conectar módulos, permitindo uma disposição conveniente dos módulos no painel de automação.

Controlador Fastwel com módulos de entrada e saída conectados. Fonte: Control Engineering Rússia

No total: como tudo isso é usado na prática em sistemas de controle de tecnologia

Naturalmente, a diversidade de protocolos modernos de transmissão de dados é muito maior do que descrevemos neste artigo. Alguns estão vinculados a fabricantes específicos, outros, ao contrário, são universais. Ao desenvolver sistemas automatizados de controle de processos tecnológicos, o engenheiro escolhe os protocolos ideais, considerando as tarefas e limitações específicas (técnicas e orçamentárias).

Falando sobre a disseminação de um determinado protocolo de troca, podemos apresentar o diagrama da empresa HMS Networks AB, que ilustra as participações de mercado de várias tecnologias de troca em redes industriais.

Fonte: HMS Networks AB

Como podemos ver no diagrama, PRONET e PROFIBUS da Siemens ocupam posições de liderança.

Curiosamente, há 6 anos 60% do mercado eram ocupados pelos protocolos PROFINET e Ethernet/IP.

Na tabela abaixo, foram compilados dados resumidos sobre os protocolos de troca descritos. Alguns parâmetros, como desempenho, são expressos em termos abstratos: alto / baixo. Os equivalentes numéricos podem ser encontrados em artigos de análise de desempenho. 

As áreas de aplicação dos protocolos de comunicação mencionados, barramentos de campo e redes industriais são muito diversas. Desde a indústria química e automotiva até tecnologias aeroespaciais e produção de eletrônicos. Protocolos de comunicação de alta velocidade são requisitados em sistemas de posicionamento em tempo real de diversos dispositivos e na robótica.

E com quais protocolos você trabalhou e onde os aplicou? Compartilhe sua experiência nos comentários. 🙂

Fonte: habr.com