falamos sobre como funcionam os barramentos e protocolos na automação industrial. Desta vez vamos nos concentrar em soluções de trabalho modernas: veremos quais protocolos são usados em sistemas ao redor do mundo. Consideremos as tecnologias das empresas alemãs Beckhoff e Siemens, da austríaca B&R, da americana Rockwell Automation e da russa Fastwel. Estudaremos também soluções universais que não estão vinculadas a um fabricante específico, como EtherCAT e CAN.
Ao final do artigo haverá uma tabela comparativa com as características dos protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP e ModbusTCP.
Não incluímos PRP, HSR, OPC UA e outros protocolos na revisão, porque Já existem excelentes artigos sobre eles no Habré, escritos por nossos colegas engenheiros que estão desenvolvendo sistemas de automação industrial. Por exemplo, и .
Primeiro, vamos definir a terminologia: Ethernet Industrial = rede industrial, Fieldbus = barramento de campo. Na automação industrial russa, há confusão em termos relacionados ao barramento de campo e à rede industrial de nível inferior. Freqüentemente, esses termos são combinados em um conceito único e vago chamado "nível inferior", que é conhecido como barramento de campo e barramento de subnível, embora possa nem ser um barramento.
Por que isso?Essa confusão provavelmente se deve ao fato de que em muitos controladores modernos, a conexão de módulos de E/S é frequentemente implementada usando um backplane ou um barramento físico. Ou seja, determinados contatos e conectores de barramento são usados para combinar vários módulos em uma única unidade. Mas tais nós, por sua vez, podem ser interligados tanto por uma rede industrial quanto por um barramento de campo. Na terminologia ocidental há uma divisão clara: uma rede é uma rede, um barramento é um barramento. A primeira é designada pelo termo Ethernet Industrial, a segunda por Fieldbus. O artigo propõe utilizar o termo “rede industrial” e o termo “barramento de campo” para esses conceitos, respectivamente.
Padrão de rede industrial EtherCAT, desenvolvido pela Beckhoff
O protocolo EtherCAT e a rede industrial são talvez um dos métodos mais rápidos de transmissão de dados em sistemas de automação atualmente. A rede EtherCAT é usada com sucesso em sistemas de automação distribuídos, onde nós interagentes são separados por longas distâncias.
O protocolo EtherCAT utiliza frames Ethernet padrão para transmitir seus telegramas, portanto permanece compatível com qualquer equipamento Ethernet padrão e, de fato, a recepção e 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 E/S. Fonte:
A especificação do protocolo é aberta e disponível, mas apenas no âmbito da associação de desenvolvimento - EtherCAT Technology Group.
Veja como funciona o EtherCAT (o espetáculo é fascinante, como o jogo Zuma Inca):
A alta velocidade de troca neste protocolo - e podemos falar em unidades de microssegundos - é percebida pelo fato de os desenvolvedores se recusarem a trocar por meio de telegramas enviados diretamente para um dispositivo específico. Em vez disso, um telegrama é enviado para a rede EtherCAT, endereçado a todos os dispositivos ao mesmo tempo, cada um dos nós escravos para coletar e transmitir informações (eles também são frequentemente chamados de OSO - dispositivo de comunicação de objeto) tira dele “on the fly” os dados que lhe foram destinados e insere em um telegrama os dados que está disposto a fornecer para troca. O telegrama é então enviado para o próximo nó escravo, onde ocorre a mesma operação. Depois de passar por todos os dispositivos de controle, o telegrama é devolvido ao controlador principal, que, com base nos dados recebidos dos dispositivos escravos, implementa a lógica de controle, interagindo novamente através do telegrama com os nós escravos, que emitem um sinal de controle para o equipamento.
Uma rede EtherCAT pode ter qualquer topologia, mas em essência sempre será um anel - devido ao uso do modo full duplex e dois conectores Ethernet. Desta forma, o telegrama será sempre transmitido sequencialmente para cada dispositivo do barramento.
Representação esquemática de uma rede Ethercat com múltiplos nós. Fonte:
A propósito, a especificação EtherCAT não contém restrições à camada física 100Base-TX, portanto a implementação do protocolo é possível com base em linhas gigabit e ópticas.
Redes industriais abertas e padrões PROFIBUS/NET da Siemens
A empresa alemã Siemens é conhecida há muito tempo pelos seus controladores lógicos programáveis (CLPs), que são utilizados em todo o mundo.
A troca de dados entre nós de um sistema automatizado controlado por equipamentos Siemens é realizada tanto através de um barramento de campo denominado PROFIBUS quanto na rede industrial PROFINET.
O barramento PROFIBUS utiliza um cabo especial de dois núcleos com conectores DB-9. A Siemens tem na cor roxa, mas já vimos outras na prática :). Para conectar vários nós, um conector pode conectar dois cabos. Ele também possui uma chave para o resistor terminal. O resistor terminal deve ser ligado nos dispositivos finais da rede, indicando assim que este é o primeiro ou o último dispositivo, e depois dele não há nada, apenas escuridão e vazio (todos os rs485 funcionam assim). Se você ligar um resistor no conector intermediário, a seção seguinte será desligada.
Cabo PROFIBUS com conectores de conexão. Fonte:
A rede PROFINET utiliza um cabo analógico de par trançado, geralmente com conectores RJ-45, o cabo é de cor verde. Se a topologia do PROFIBUS for um barramento, então a topologia da rede PROFINET pode ser qualquer coisa: um anel, uma estrela, uma árvore ou tudo combinado.
Controlador Siemens com cabo PROFINET conectado. Fonte: w3.siemens.com
Existem vários protocolos de comunicação no barramento PROFIBUS e na rede PROFINET.
Para PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - a implementação deste protocolo envolve a comunicação com dispositivos escravos remotos; no caso do PROFINET este protocolo corresponde ao protocolo PROFINET IO.
- PROFIBUS PA é essencialmente igual ao PROFIBUS DP, utilizado apenas para versões à prova de explosão de transmissão de dados e alimentação de energia (análogo ao PROFIBUS DP com propriedades físicas diferentes). Para PROFINET ainda não existe um protocolo à prova de explosão semelhante ao PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - projetado para troca de dados com sistemas de outros fabricantes que não podem utilizar PROFIBUS DP. O análogo do PROFIBUS FMS na rede PROFINET é o protocolo PROFINET CBA.
Para PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
O protocolo PROFINET IO é dividido em diversas classes:
- PROFINET NRT (tempo não real) - usado em aplicações onde os parâmetros de temporização não são críticos. Ele usa o protocolo de transferência de dados Ethernet TCP/IP, bem como UDP/IP.
- PROFINET RT (tempo real) - aqui a troca de dados de E/S é implementada usando frames Ethernet, mas os dados de diagnóstico e comunicação ainda são transferidos via UDP/IP.
- PROFINET IRT (Tempo Real Isócrono) - Este protocolo foi desenvolvido especificamente para aplicações de controle de movimento e inclui uma fase de transferência de dados isócrona.
Quanto à implementação do protocolo hard real-time PROFINET IRT, para comunicações com dispositivos remotos distingue dois canais de troca: isócrono e assíncrono. Um canal isócrono com um comprimento de ciclo de troca fixo usa sincronização de relógio e transmite dados de tempo crítico; telegramas de segundo nível são usados para transmissão. A duração da transmissão em um canal isócrono não excede 1 milissegundo.
O canal assíncrono transmite os chamados dados em tempo real, que também são endereçados através de um endereço MAC. Além disso, diversas informações de diagnóstico e auxiliares são transmitidas por TCP/IP. Nem os dados em tempo real, muito menos outras informações, é claro, podem interromper o ciclo isócrono.
O conjunto estendido de funções PROFINET IO não é necessário para todos os sistemas de automação industrial, portanto este protocolo é dimensionado para um projeto específico, levando em consideração classes de conformidade ou classes de conformidade: CC-A, CC-B, CC-CC. As classes de conformidade permitem selecionar dispositivos de campo e componentes de backbone com a funcionalidade mínima necessária.
Fonte:
O segundo protocolo de troca da rede PROFINET - PROFINET CBA - é utilizado para organizar a comunicação industrial entre equipamentos de diferentes fabricantes. A principal unidade de produção nos sistemas IAS é uma determinada entidade chamada componente. Este componente é geralmente um conjunto de peças mecânicas, elétricas e eletrônicas de um dispositivo ou instalação, bem como software aplicativo associado. Para cada componente é selecionado um módulo de software que contém uma descrição completa da interface deste componente de acordo com os requisitos do padrão PROFINET. Depois disso, esses módulos de software são usados para trocar dados com dispositivos.
Protocolo Ethernet POWERLINK da B&R
O protocolo Powerlink foi desenvolvido pela empresa austríaca B&R no início dos anos 2000. Esta é outra implementação de um protocolo de tempo real além do padrão Ethernet. A especificação do protocolo está disponível e distribuída gratuitamente.
A tecnologia Powerlink utiliza o chamado mecanismo de polling misto, quando toda a interação entre os dispositivos é dividida em várias fases. Os dados particularmente críticos são transmitidos na fase de troca isócrona, para a qual está configurado o tempo de resposta necessário; os restantes dados serão transmitidos, sempre que possível, na fase assíncrona.
Controlador B&R com um conjunto de módulos de E/S. Fonte: br-automation.com
O protocolo foi originalmente implementado sobre a camada física 100Base-TX, mas posteriormente uma implementação gigabit foi desenvolvida.
O protocolo Powerlink usa um mecanismo de agendamento de comunicação. Um determinado marcador ou mensagem de controle é enviado à rede, com o qual é determinado qual dos dispositivos atualmente tem permissão para troca de dados. Apenas um dispositivo pode ter acesso à central por vez.
Representação esquemática de uma rede Ethernet POWERLINK com múltiplos nós.
Na fase isócrona, o controlador de polling envia sequencialmente uma solicitação para cada nó do qual precisa receber dados críticos.
A fase isócrona é realizada, como já mencionado, com tempo de ciclo ajustável. Na fase assíncrona da troca, é utilizada a pilha de protocolos IP, o controlador solicita dados não críticos de todos os nós, que enviam uma resposta à medida que obtêm acesso para transmitir para a 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 usa a pilha IP TCP e UDP e a estende para aplicações de automação industrial. A segunda parte do nome, ao contrário da crença popular, não significa Protocolo de Internet, mas sim Protocolo Industrial. O UDP IP usa a pilha de comunicações CIP (Common Interface Protocol), que também é usada em redes ControlNet/DeviceNet e é implementada sobre TCP/IP.
A especificação EtherNet/IP está disponível publicamente e 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, EtherNet/IP, ele implementa a transferência de dados críticos em termos de tempo entre o controlador de polling e os dispositivos de E/S. A transmissão de dados não críticos em termos de tempo é fornecida por pacotes TCP, e a entrega crítica em termos de tempo de dados de controle cíclicos é realizada através do protocolo UDP.
Para sincronizar a hora em sistemas distribuídos, o EtherNet/IP usa o protocolo CIPsync, que é uma extensão do protocolo de comunicação CIP.
Representação esquemática de uma rede Ethernet/IP com vários nós e ligação de dispositivos Modbus. Fonte:
Para simplificar a configuração da rede EtherNet/IP, a maioria dos dispositivos de automação padrão vem com arquivos de configuração predefinidos.
Implementação do protocolo FBUS na Fastwel
Pensamos durante muito tempo se deveríamos incluir nesta lista a empresa russa Fastwel com a sua implementação doméstica do protocolo industrial FBUS, mas depois decidimos escrever alguns parágrafos para uma melhor compreensão da realidade da substituição de importações.
Existem duas implementações físicas do FBUS. Um deles é um barramento em que o protocolo FBUS roda sobre o padrão RS485. Além disso, existe uma implementação do FBUS em uma rede Ethernet industrial.
O FBUS dificilmente pode ser chamado de protocolo de alta velocidade; o tempo de resposta depende fortemente do número de módulos de E/S no barramento e dos parâmetros de troca; geralmente varia de 0,5 a 10 milissegundos. Um nó escravo FBUS pode conter apenas 64 módulos de E/S. Para um fieldbus, o comprimento do cabo não pode ultrapassar 1 metro, portanto não estamos falando de sistemas distribuídos. Ou melhor, sim, mas apenas quando se utiliza uma rede FBUS industrial sobre TCP/IP, o que significa um aumento várias vezes no tempo de polling. Cabos de extensão de barramento podem ser usados para conectar módulos, o que permite a colocação conveniente dos módulos no gabinete de automação.
Controlador Fastwel com módulos de E/S conectados. Fonte:
Total: como tudo isso é utilizado na prática em sistemas automatizados de controle de processos
Naturalmente, a variedade de tipos de protocolos modernos de transferência de dados industriais é muito maior do que descrevemos neste artigo. Alguns estão vinculados a um fabricante específico, outros, pelo contrário, são universais. Ao desenvolver sistemas automatizados de controle de processos (APCS), o engenheiro seleciona os protocolos ideais, levando em consideração tarefas e restrições específicas (técnicas e orçamentárias).
Se falarmos sobre a prevalência de um determinado protocolo de troca, podemos fornecer um diagrama da empresa HMS Networks AB, que ilustra as quotas de mercado de várias tecnologias de troca em redes industriais.
Fonte:
Como pode ser visto no diagrama, PRONET e PROFIBUS da Siemens ocupam as posições de liderança.
Curiosamente, há 6 anos .
A tabela abaixo contém dados resumidos sobre os protocolos de troca descritos. Alguns parâmetros, por exemplo, desempenho, são expressos em termos abstratos: alto/baixo. Equivalentes numéricos podem ser encontrados em artigos de análise de desempenho.
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EtherCAT
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POWERLINK
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PROFINET
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EtherNet / IP
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ModbusTCP
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Camada física
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
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Nível de dados
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Canal (quadros Ethernet)
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Canal (quadros Ethernet)
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Canal (quadros Ethernet), Rede/transporte (TCP/IP)
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Rede/Transporte (TCP/IP)
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Rede/Transporte (TCP/IP)
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|
Suporte em tempo real
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Sim
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Sim
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Sim
|
Sim
|
Não
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|
Desempenho
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Alto
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Alto
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TRI – alto, RT – médio
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Média
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Baixo
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Comprimento do cabo entre nós
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100м
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100m/2km
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100м
|
100м
|
100м
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|
Fases de transferência
|
Não
|
Isócrono + assíncrono
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IRT – isócrono + assíncrono, RT – assíncrono
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Não
|
Não
|
|
Número de nós
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65535
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240
|
Limitação de rede TCP/IP
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Limitação de rede TCP/IP
|
Limitação de rede TCP/IP
|
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Resolução de colisão
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Topologia em anel
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Sincronização do relógio, fases de transmissão
|
Topologia em anel, fases de transmissão
|
Switches, topologia em estrela
|
Switches, topologia em estrela
|
|
Troca a quente
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Não
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Sim
|
Sim
|
Sim
|
Dependendo da implementação
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Custo do equipamento
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Baixo
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Baixo
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Alto
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Média
|
Baixo
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As áreas de aplicação dos protocolos de troca, barramentos de campo e redes industriais descritos são muito diversas. Das indústrias química e automotiva à tecnologia aeroespacial e fabricação de eletrônicos. Protocolos de troca de alta velocidade são procurados em sistemas de posicionamento em tempo real para vários dispositivos e em robótica.
Com quais protocolos você trabalhou e onde os aplicou? Compartilhe sua experiência nos comentários. 🙂
Fonte: habr.com