Prezentarea protocoalelor moderne în sistemele de automatizare industrială

În publicația anterioară am explicat cum funcționează autobuzele și protocoalele în automatizarea industrială. De data aceasta ne vom concentra asupra soluțiilor de lucru contemporane: vom analiza ce protocoale sunt utilizate în sistemele din întreaga lume. Vom examina tehnologiile companiilor germane Beckhoff și Siemens, austriaca B&R, americană Rockwell Automation și rusă Fastwel. De asemenea, vom studia soluțiile universale care nu sunt legate de un anumit producător, cum ar fi EtherCAT și CAN. 

La sfârșitul articolului va fi un tabel comparativ cu caracteristicile protocoalelor EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP și ModbusTCP.

Nu am inclus în prezentare protocoalele PRP, HSR, OPC UA și altele, deoarece pe Habr există deja articole excelente ale colegilor noștri ingineri care se ocupă cu dezvoltarea sistemelor de automatizare industrială. De exemplu, „Protocoalele de rezervare „fără întreruperi” PRP și HSR” și „Gateway-uri pentru protocoalele industriale de schimb pe Linux. Construiește-ți singur”.

Pentru început, să definim terminologia: Industrial Ethernet = rețea industrială, Fieldbus = autobuz de câmp. În automatizarea industrială rusă, se întâmplă confuzii în terminologie, în legătură cu autobuzul de câmp și rețeaua industrială de nivel inferior. Adesea aceste termeni sunt combinate într-un singur concept vag de „nivel inferior”, care este denumit atât autobuz de câmp, cât și autobuz de nivel inferior, deși poate să nu fie un autobuz deloc.

Why is that?Această confuzie se datorează, cel mai probabil, faptului că în multe controllere moderne, conexiunea modulelor de intrare-ieșire este adesea realizată cu ajutorul unui panou comun (eng. backplane) sau autobuz fizic. Asta înseamnă că sunt utilizate anumite contacte și conectori de autobuz pentru a reuni mai multe module într-o unitate unică. Dar aceste unități, la rândul lor, pot fi conectate între ele atât printr-o rețea industrială, cât și printr-un autobuz de câmp. În terminologia de vest există o distincție clară: o rețea este o rețea, un autobuz este un autobuz. Prima este desemnată termenului Industrial Ethernet, iar a doua - Fieldbus. În acest articol, se propune utilizarea termenilor „rețea industrială” și „autobuz de câmp”, respectiv.

Standardul rețelei industriale EtherCAT, dezvoltat de compania Beckhoff

Protocolul și rețeaua industrială EtherCAT sunt, fără îndoială, unele dintre cele mai rapide modalități de transmitere a datelor în sistemele de automatizare de astăzi. Rețeaua EtherCAT este utilizată cu succes în sistemele de automatizare distribuită, unde nodurile interacționante sunt dispuse pe distanțe mari.

Protocolul EtherCAT utilizează cadre Ethernet standard pentru a-și transmite telegramă, astfel că se păstrează compatibilitatea cu orice echipament Ethernet standard și, în esență, primirea și transmiterea datelor pot fi organizate pe orice controler Ethernet, având software-ul adecvat.

Controlerul Beckhoff cu set de module de intrare-ieșire. Sursă: www.beckhoff.de

Specificația protocolului este deschisă și disponibilă, dar doar în cadrul asociației de dezvoltare — EtherCAT Technology Group.

Iată cum funcționează EtherCAT (spectacolul este fascinant, asemănător cu jocul Zuma Inca):

Viteza mare de schimb în acest protocol — vorbim de unități de microsecunde — este realizată prin faptul că dezvoltatorii au renunțat la schimbul prin intermediul telegramelor trimise direct unui dispozitiv specific. În schimb, în rețeaua EtherCAT se trimite o singură telegramă, adresată tuturor dispozitivelor simultan, fiecare din nodurile subordonate de colectare și transmisie a informațiilor (numite adesea UCO — dispozitiv de comunicare cu obiectul) preia „în zbor” datele care îi erau destinate și introduce în telegramă datele pe care este pregătit să le ofere pentru schimb. După aceea, telegrama este trimisă următorului nod subordonat, unde are loc aceeași operațiune. După ce a trecut prin toate UCO-urile, telegrama revine la controlerul principal, care, pe baza datelor primite de la dispozitivele subordonate, implementează logica de control, interacționând din nou prin telegramă cu nodurile subordonate, care emit semnalul de control către echipament.

Rețeaua EtherCAT poate avea orice topologie, dar, în esență, va fi întotdeauna un inel — datorită utilizării modului duplex complet și a celor două conectori Ethernet. Astfel, telegrama va fi întotdeauna transmisă secvențial fiecărui dispozitiv de pe magistrală.

Reprezentare schematică a rețelei EtherCAT cu mai multe noduri. Sursă: realpars.com

Într-adevăr, specificația EtherCAT nu conține restricții la nivel fizic 100Base-TX, astfel încât implementarea protocolului este posibilă pe baza liniilor gigabit și optice.

Rețele industriale deschise și standarde PROFIBUS/NIC de la Siemens

Concernul german Siemens este bine cunoscut pentru controlerele logice programabile (PLC) pe care le utilizează în întreaga lume.

Schimbul de date între nodurile unui sistem automatizat gestionat de echipamente Siemens se realizează atât printr-un bus de câmp numit PROFIBUS, cât și în rețeaua industrială PROFINET.

Busul PROFIBUS folosește un cablu special cu două fire și conectori DB-9. La Siemens este violet, dar în practică am întâlnit și alte culori :). Pentru conectarea mai multor noduri, conectorul poate uni două cabluri. De asemenea, acesta dispune de un comutator pentru rezistorul de terminare. Rezistorul de terminare trebuie să fie activat pe dispozitivele terminale ale rețelei, astfel comunicându-se că acesta este primul sau ultimul dispozitiv, iar după el nu mai există nimic, doar întuneric și pustietate (toate rs485 funcționează astfel). Dacă pe conectorul intermediar este activat un rezistor, atunci porțiunea următoare va fi deconectată.

Cablul PROFIBUS cu conectori. Sursa: VIPA ControlsAmerica

În rețeaua PROFINET se folosește un cablu similar cu pereche răsucită, de obicei cu conectori RJ-45, iar cablul este vopsit în verde. Dacă topologia PROFIBUS este un bus, atunci topologia rețelei PROFINET poate fi orice: fie un cerc, fie o stea, fie un arbore, fie un amestec al tuturor.

Controler Siemens cu cablu PROFINET conectat. Sursa: w3.siemens.com

Există mai multe protocoale de schimb de date pe busul PROFIBUS și în rețeaua PROFINET.

Pentru PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP – implementarea acestui protocol presupune comunicarea cu dispozitive subordonate îndepărtate, în cazul PROFINET acestui protocol îi corespunde protocolul PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA – este practic același cu PROFIBUS DP, dar este folosit pentru versiuni de date și alimentare rezistente la explozie (analogia PROFIBUS DP cu alte proprietăți fizice). Până în prezent, pentru PROFINET nu există un protocol rezistent la explozie analog cu PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS – este destinat schimbului de date cu sisteme de la alți producători care nu pot utiliza PROFIBUS DP. Analogia PROFIBUS FMS în rețeaua PROFINET este protocolul PROFINET CBA.

Pentru PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protocolul PROFINET IO se împarte în mai multe clase:

• PROFINET NRT (fără timp real) — este utilizat în aplicații unde parametrii temporali nu sunt critici. Acesta folosește protocolul de transfer de date Ethernet TCP/IP, precum și UDP/IP.
• PROFINET RT (timp real) — aici, schimbul de date pentru intrări/ieșiri este realizat prin cadre Ethernet, dar datele de diagnosticare și cele de comunicare sunt încă transmise prin UDP/IP. 
• PROFINET IRT (timp real izocron) — acest protocol a fost dezvoltat special pentru aplicațiile de control al mișcării și include o fază izocronă de transfer de date.

În ceea ce privește implementarea protocolului de timp real strict PROFINET IRT, pentru comunicațiile cu dispozitivele la distanță sunt alocate două canale de schimb: izocron și asincron. Canalul izocron, cu o lungime de ciclu de schimb fixată în timp, folosește sincronizarea tactică și transmite date critice în timp, utilizând telegrama de nivel doi. Durata de transfer în canalul izocron nu depășește 1 milisecundă.

În canalul asincron sunt transmise așa-numitele date în timp real, care sunt de asemenea adresate prin MAC-adresă. În plus, sunt transmise diverse informații de diagnosticare și informații auxiliare deasupra TCP/IP. Nici datele în timp real, și cu atât mai puțin alte informații, nu pot întrerupe evident ciclul izocron.

Setul extins de funcții PROFINET IO nu este necesar pentru fiecare sistem de automatizare industrială, de aceea acest protocol este scalat pentru proiectul specific, având în vedere clasele de conformitate sau clasele de aplicație (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Clasele de conformitate permit alegerea dispozitivelor de câmp și a componentelor de magistrală cu funcționalitatea minim necesară. 

Sursa: PROFINET universitate lecție

Al doilea protocol de schimb de date în rețeaua PROFINET — PROFINET CBA — este destinat organizării comunicației industriale între echipamente de la diferiți producători. Unitatea de producție principală în sistemele CBA este o entitate numită componentă. Această componentă reprezintă de obicei o combinație a părții mecanice, electrice și electronice a dispozitivului sau instalației, precum și software-ul aplicativ corespunzător. Pentru fiecare componentă se alege un modul de software care conține o descriere completă a interfeței acestei componente conform cerințelor standardului PROFINET. Apoi, aceste module software sunt utilizate pentru a schimba date cu dispozitivele. 

Protocolul Ethernet POWERLINK al companiei B&R

Protocolul Powerlink a fost dezvoltat de compania austriacă B&R la începutul anilor 2000. Aceasta este o altă implementare a unui protocol în timp real peste standardul Ethernet. Specificația protocolului este disponibilă și se distribuie liber. 

Tehnologia Powerlink utilizează un mecanism de așa-numită interogare mixtă, când toată interacțiunea între dispozitive este împărțită în mai multe faze. Datele critice sunt transmise în faza izochronă de schimb, pentru care se configurează timpul de răspuns necesar, iar celelalte date vor fi transmise pe măsură ce este posibil în faza asincronă.

Controler B&R cu un set de module de intrare și ieșire. Sursa: br-automation.com

Inițial, protocolul a fost implementat peste nivelul fizic 100Base-TX, dar ulterior a fost dezvoltată și o implementare gigabit.

În protocolul Powerlink se utilizează un mecanism de planificare a schimbului. În rețea este trimis un anumit marcaj sau mesaj de control, cu ajutorul căruia se determină care dintre dispozitive are în acel moment permisiunea de a schimba date. În fiecare moment de timp, accesul la schimb poate avea doar un singur dispozitiv.

Reprezentare schematică a rețelei Ethernet POWERLINK cu mai multe noduri.

În faza izochronă, controlerul de interogare trimite consecutiv cereri fiecărui nod de la care trebuie să primească date critice. 

Faza izocronă se execută, așa cum s-a menționat, cu un timp de ciclu configurabil. În faza de schimb asincron se folosește un stivă de protocoale IP, controller-ul solicită datele non-critice de la toate nodurile, care trimit răspunsul pe măsură ce obțin acces la transmisia în rețea. Raportul de timp între fazele izocronă și asincronă poate fi ajustat manual.

Protocolul Ethernet/IP de la Rockwell Automation

Protocolul EtherNet/IP a fost dezvoltat cu participarea activă a companiei americane Rockwell Automation în 2000. Acesta utilizează stiva TCP și UDP IP și o extinde pentru aplicarea în automatizarea industrială. A doua parte a denumirii, contrar opiniei populare, nu înseamnă Protocol Internet, ci Protocol Industrial. UDP IP folosește stiva de comunicație a protocolului CIP (Common Interface Protocol), care este de asemenea utilizată în rețelele ControlNet / DeviceNet și este implementată deasupra TCP/IP.

Specificația EtherNet/IP este accesibilă publicului și este distribuită gratuit. Topologia rețelei Ethernet/IP poate fi arbitrară și poate include inele, stele, arbori sau benzi.

Pe lângă funcțiile standard ale protocoalelor HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementează transmiterea de date critice în timp de livrare între controller-ul de interogare și dispozitivele de intrare/ieșire. Transmiterea de date non-critice în timp se realizează prin pachete TCP, iar livrarea critică a datelor de control ciclice se face prin protocolul UDP. 

Pentru sincronizarea timpului în sistemele distribuite, EtherNet/IP utilizează protocolul CIPsync, care este o extensie a protocolului de comunicație CIP.

Diagramă schematică a rețelei Ethernet/IP cu mai multe noduri și conectarea dispozitivelor Modbus. Sursa: www.icpdas.com.tw

Pentru a simplifica configurarea rețelei EtherNet/IP, cele mai multe dispozitive standard de automatizare vin cu fișiere de configurare predefinite.

Implementarea protocolului FBUS de către compania Fastwel

Am avut mult de gândit dacă să includem în această listă compania rusă Fastwel cu implementarea sa locală a protocolului industrial FBUS, dar până la urmă am decis să scriem câteva paragrafe pentru a înțelege mai bine realitățile înlocuirii importurilor.

Există două implementări fizice ale FBUS. Una dintre ele este un bus, în care protocolul FBUS funcționează peste standardul RS485. În plus, există o implementare FBUS în rețeaua industrială Ethernet.

FBUS este greu de numit un protocol rapid, timpul de răspuns depinzând semnificativ de numărul modulelor de intrare-ieșire de pe magistrală și de parametrii de schimb, de obicei variind între 0,5–10 milisecunde. Un nod subordinat FBUS poate conține doar 64 de module de intrare-ieșire. Pentru magistrala de câmp, lungimea cablului nu poate depăși 1 metru, astfel că nu se vorbește despre sisteme distribuite. Mai degrabă, se discută, dar doar prin utilizarea rețelei industriale FBUS peste TCP/IP, ceea ce înseamnă o creștere de câteva ori a timpului de sondare. Pentru conectarea modulelor pot fi folosite extensii de magistrală, ceea ce permite amplasarea confortabilă a modulelor în dulapul de automatizare.

Controlerul Fastwel cu modulele de intrare-ieșire conectate. Sursa: Control Engineering Rusia

În total: cum se utilizează toate acestea în practică în ASC TP

Desigur, diversitatea modernă a protocoalelor de date este mult mai mare decât cea descrisă în acest articol. Unele sunt legate de un anumit producător, altele, dimpotrivă, sunt universale. Atunci când se dezvoltă sisteme automate de control al proceselor technologice (ASC TP), inginerul alege protocoalele optime, ținând cont de sarcinile specifice și de constrângerile existente (tehnice și bugetare).

Dacă vorbim despre prevalența unui anumit protocol de schimb, se poate prezenta un grafic al companiei HMS Networks AB, care ilustrează cotele de piață ale diferitelor tehnologii de schimb în rețelele industriale.

Sursa: HMS Networks AB

După cum se poate observa în grafic, PRONET și PROFIBUS de la Siemens ocupă poziții de lider.

Este interesant că acum 6 ani 60% din piață era ocupată de protocoalele PROFINET și Ethernet/IP.

În tabelul de mai jos sunt adunate datele sumare despre protocoalele de schimb descrise. Unele parametrii, de exemplu, performanța, sunt exprimate în termeni abstracti: mare / mic. Echivalentele numerice pot fi găsite în articolele de analiză a performanței. 

Domeniile de aplicare ale protocoalelor de schimb, magistralelor câmp și rețelelor industriale sunt foarte variate. De la industria chimică și auto, până la tehnologiile aerospațiale și producția de electronică. Protocoalele de schimb de mare viteză sunt cerute în sistemele de poziționare în timp real a diferitelor dispozitive și în robotică.

Și cu ce protocoale ați lucrat și unde le-ați aplicat? Împărtășiți-vă experiența în comentarii. 🙂

Sursa: habr.com