am vorbit despre cum funcționează autobuzele și protocoalele în automatizarea industrială. De data aceasta ne vom concentra pe soluții moderne de lucru: ne vom uita la ce protocoale sunt folosite în sistemele din întreaga lume. Să luăm în considerare tehnologiile companiilor germane Beckhoff și Siemens, ale austriacului B&R, ale americanului Rockwell Automation și ale rusului Fastwel. De asemenea, vom studia soluții universale care nu sunt legate de un anumit producător, cum ar fi EtherCAT și CAN.
La sfârșitul articolului va fi un tabel de comparație cu caracteristicile protocoalelor EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP și ModbusTCP.
Nu am inclus PRP, HSR, OPC UA și alte protocoale în revizuire, deoarece Există deja articole excelente despre ele despre Habré ale colegilor noștri ingineri care dezvoltă sisteme de automatizare industrială. De exemplu, и .
Mai întâi, să definim terminologia: Industrial Ethernet = rețea industrială, Fieldbus = fieldbus. În automatizarea industrială rusă, există confuzie în ceea ce privește magistrala de teren și rețeaua industrială de nivel inferior. Adesea, acești termeni sunt combinați într-un singur concept vag numit „nivel inferior”, care este denumit atât magistrală de câmp, cât și magistrală de subnivel, deși poate să nu fie deloc o magistrală.
De ce așa?Această confuzie se datorează cel mai probabil faptului că în multe controlere moderne, conectarea modulelor I/O este adesea implementată folosind un backplane sau o magistrală fizică. Adică, anumite contacte de magistrală și conectori sunt utilizați pentru a combina mai multe module într-o singură unitate. Dar astfel de noduri, la rândul lor, pot fi interconectate atât printr-o rețea industrială, cât și printr-o magistrală de câmp. În terminologia occidentală există o diviziune clară: o rețea este o rețea, un autobuz este un autobuz. Primul este desemnat de termenul Industrial Ethernet, al doilea de Fieldbus. Articolul propune utilizarea termenului de „rețea industrială” și respectiv termenul de „field bus” pentru aceste concepte.
Standardul de rețea industrială EtherCAT, dezvoltat de Beckhoff
Protocolul EtherCAT și rețeaua industrială este probabil una dintre cele mai rapide metode de transmitere a datelor în sistemele de automatizare de astăzi. Rețeaua EtherCAT este utilizată cu succes în sistemele de automatizare distribuite, unde nodurile care interacționează sunt separate pe distanțe mari.
Protocolul EtherCAT folosește cadre Ethernet standard pentru a-și transmite telegramele, astfel încât rămâne compatibil cu orice echipament Ethernet standard și, de fapt, recepția și transmisia datelor pot fi organizate pe orice controler Ethernet, cu condiția să fie disponibil software-ul corespunzător.
Controler Beckhoff cu un set de module I/O. Sursă:
Specificația protocolului este deschisă și disponibilă, dar numai în cadrul asociației de dezvoltare - EtherCAT Technology Group.
Iată cum funcționează EtherCAT (spectacolul este fascinant, precum jocul Zuma Inca):
Viteza mare de schimb în acest protocol - și putem vorbi despre unități de microsecunde - se realizează datorită faptului că dezvoltatorii au refuzat să facă schimb folosind telegrame trimise direct către un anumit dispozitiv. În schimb, o telegramă este trimisă în rețeaua EtherCAT, adresată tuturor dispozitivelor în același timp, fiecare dintre nodurile slave pentru colectarea și transmiterea informațiilor (sunt adesea numite și OSO - dispozitiv de comunicare obiect) preia din acesta „din zbor” datele care i-au fost destinate și inserează într-o telegramă datele pe care este gata să le furnizeze pentru schimb. Telegrama este apoi trimisă către următorul nod slave, unde are loc aceeași operațiune. După ce a trecut prin toate dispozitivele de control, telegrama este returnată controlerului principal, care, pe baza datelor primite de la dispozitivele slave, implementează logica de control, interacționând din nou prin telegramă cu nodurile slave, care emit un semnal de control către echipamentul.
O rețea EtherCAT poate avea orice topologie, dar în esență va fi întotdeauna un inel - datorită utilizării modului full duplex și a doi conectori Ethernet. În acest fel, telegrama va fi întotdeauna transmisă secvenţial fiecărui dispozitiv de pe magistrală.
Reprezentare schematică a unei rețele Ethercat cu mai multe noduri. Sursă:
Apropo, specificația EtherCAT nu conține restricții asupra stratului fizic 100Base-TX, astfel încât implementarea protocolului este posibilă pe baza liniilor gigabit și optice.
Rețele industriale deschise și standarde PROFIBUS/NET de la Siemens
Concernul german Siemens este cunoscut de multă vreme pentru controlerele sale logice programabile (PLC), care sunt utilizate în întreaga lume.
Schimbul de date între nodurile unui sistem automat controlat de echipamente Siemens se realizează atât prin intermediul unui bus de câmp numit PROFIBUS, cât și în rețeaua industrială PROFINET.
Busul PROFIBUS folosește un cablu special cu două fire cu conectori DB-9. Siemens o are în mov, dar noi am văzut și altele în practică :). Pentru a conecta mai multe noduri, un conector poate conecta două cabluri. Are și un comutator pentru rezistența terminală. Rezistorul terminal trebuie pornit la dispozitivele terminale ale rețelei, indicând astfel că acesta este primul sau ultimul dispozitiv, iar după el nu mai este nimic, doar întuneric și gol (toate rs485-urile funcționează așa). Dacă porniți o rezistență la conectorul intermediar, secțiunea care urmează va fi oprită.
Cablu PROFIBUS cu conectori de conectare. Sursă:
Rețeaua PROFINET folosește un cablu analogic torsadat, de obicei cu conectori RJ-45, cablul este colorat în verde. Dacă topologia PROFIBUS este o magistrală, atunci topologia rețelei PROFINET poate fi orice: un inel, o stea, un arbore sau totul combinat.
Controler Siemens cu cablu PROFINET conectat. Sursa: w3.siemens.com
Există mai multe protocoale de comunicație pe magistrala PROFIBUS și în rețeaua PROFINET.
Pentru PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementarea acestui protocol presupune comunicarea cu dispozitive slave la distanță; în cazul PROFINET, acest protocol corespunde protocolului PROFINET IO.
- PROFIBUS PA este, în esență, același cu PROFIBUS DP, utilizat numai pentru versiunile antiexplozive ale transmisiei de date și sursei de alimentare (analog cu PROFIBUS DP cu proprietăți fizice diferite). Pentru PROFINET, nu există încă un protocol antiexplozie similar PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - conceput pentru schimbul de date cu sisteme de la alți producători care nu pot utiliza PROFIBUS DP. Analogul PROFIBUS FMS din rețeaua PROFINET este protocolul PROFINET CBA.
Pentru PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protocolul PROFINET IO este împărțit în mai multe clase:
- PROFINET NRT (non-real time) - utilizat în aplicații în care parametrii de sincronizare nu sunt critici. Utilizează protocolul de transfer de date Ethernet TCP/IP, precum și UDP/IP.
- PROFINET RT (în timp real) - aici schimbul de date I/O este implementat folosind cadre Ethernet, dar datele de diagnosticare și comunicații sunt încă transferate prin UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Acest protocol a fost dezvoltat special pentru aplicațiile de control al mișcării și include o fază de transfer de date izocron.
În ceea ce privește implementarea protocolului hard real-time PROFINET IRT, pentru comunicațiile cu dispozitive la distanță distinge două canale de schimb: izocron și asincron. Un canal izocron cu o lungime fixă a ciclului de schimb utilizează sincronizarea ceasului și transmite date critice pentru timp; telegramele de nivel al doilea sunt folosite pentru transmisie. Durata transmisiei într-un canal izocron nu depășește 1 milisecundă.
Canalul asincron transmite așa-numitele date în timp real, care sunt, de asemenea, adresate printr-o adresă MAC. În plus, diferite informații de diagnosticare și auxiliare sunt transmise prin TCP/IP. Nici datele în timp real, cu atât mai puțin alte informații, desigur, nu pot întrerupe ciclul izocron.
Setul extins de funcții PROFINET IO nu este necesar pentru fiecare sistem de automatizare industrială, astfel încât acest protocol este scalat pentru un proiect specific, luând în considerare clasele de conformitate sau clasele de conformitate: CC-A, CC-B, CC-CC. Clasele de conformitate vă permit să selectați dispozitivele de teren și componentele backbone cu funcționalitatea minimă necesară.
Sursa:
Cel de-al doilea protocol de schimb din rețeaua PROFINET - PROFINET CBA - este utilizat pentru a organiza comunicația industrială între echipamente de la diferiți producători. Unitatea principală de producție în sistemele IAS este o anumită entitate numită componentă. Această componentă este de obicei o colecție de părți mecanice, electrice și electronice ale unui dispozitiv sau instalație, precum și software de aplicație asociat. Pentru fiecare componentă este selectat un modul software care conține o descriere completă a interfeței acestei componente în conformitate cu cerințele standardului PROFINET. După care aceste module software sunt folosite pentru a face schimb de date cu dispozitivele.
Protocolul B&R Ethernet POWERLINK
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 distribuită gratuit.
Tehnologia Powerlink folosește un așa-numit mecanism de sondare mixt, când toată interacțiunea dintre dispozitive este împărțită în mai multe faze. Datele deosebit de critice sunt transmise în faza de schimb izocron, pentru care este configurat timpul de răspuns necesar; datele rămase vor fi transmise, ori de câte ori este posibil, în faza asincronă.
Controler B&R cu un set de module I/O. Sursa: br-automation.com
Protocolul a fost implementat inițial deasupra stratului fizic 100Base-TX, dar mai târziu a fost dezvoltată o implementare gigabit.
Protocolul Powerlink utilizează un mecanism de programare a comunicațiilor. Un anumit marker sau mesaj de control este trimis în rețea, cu ajutorul căruia se stabilește care dintre dispozitive are în prezent permisiunea de a schimba date. Doar un dispozitiv poate avea acces la schimb la un moment dat.
Reprezentare schematică a unei rețele Ethernet POWERLINK cu mai multe noduri.
În faza izocronă, controlerul de interogare trimite secvenţial o solicitare fiecărui nod de la care trebuie să primească date critice.
Faza izocronă se realizează, după cum sa menționat deja, cu un timp de ciclu reglabil. În faza asincronă a schimbului, se folosește stiva de protocoale IP, controlerul solicită date necritice de la toate nodurile, care trimit un răspuns pe măsură ce obțin acces pentru a transmite în rețea. Raportul de timp dintre fazele izocrone și asincrone poate fi ajustat manual.
Protocolul Rockwell Automation Ethernet/IP
Protocolul EtherNet/IP a fost dezvoltat cu participarea activă a companiei americane Rockwell Automation în 2000. Utilizează stiva IP TCP și UDP și o extinde pentru aplicații de automatizare industrială. A doua parte a numelui, contrar credinței populare, nu înseamnă Protocol Internet, ci Protocol Industrial. UDP IP utilizează stiva de comunicații CIP (Common Interface Protocol), care este, de asemenea, utilizată în rețelele ControlNet/DeviceNet și este implementată peste TCP/IP.
Specificația EtherNet/IP este disponibilă public și disponibilă gratuit. Topologia rețelei Ethernet/IP poate fi arbitrară și include inel, stea, arbore sau magistrală.
În plus față de funcțiile standard ale protocoalelor HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, implementează transferul de date critice în timp între controlerul de interogare și dispozitivele I/O. Transmiterea datelor necritice în timp este asigurată de pachetele TCP, iar livrarea datelor de control ciclic critice în timp se realizează prin protocolul UDP.
Pentru a sincroniza ora în sistemele distribuite, EtherNet/IP utilizează protocolul CIPsync, care este o extensie a protocolului de comunicație CIP.
Reprezentarea schematică a unei rețele Ethernet/IP cu mai multe noduri și conectarea dispozitivelor Modbus. Sursă:
Pentru a simplifica configurarea rețelei EtherNet/IP, majoritatea dispozitivelor standard de automatizare vin cu fișiere de configurare predefinite.
Implementarea protocolului FBUS la Fastwel
Ne-am gândit mult timp dacă să includem compania rusă Fastwel în această listă cu implementarea sa internă a protocolului industrial FBUS, dar apoi am decis să scriem câteva paragrafe pentru o mai bună înțelegere a realităților substituției importurilor.
Există două implementări fizice ale FBUS. Una dintre ele este o magistrală în care protocolul FBUS rulează peste standardul RS485. În plus, există o implementare a FBUS într-o rețea Ethernet industrială.
FBUS poate fi numit cu greu un protocol de mare viteză; timpul de răspuns depinde puternic de numărul de module I/O de pe magistrală și de parametrii de schimb; de obicei variază de la 0,5 la 10 milisecunde. Un nod slave FBUS poate conține doar 64 de module I/O. Pentru un fieldbus, lungimea cablului nu poate depăși 1 metru, așa că nu vorbim de sisteme distribuite. Sau, mai degrabă, o face, dar numai atunci când se utilizează o rețea industrială FBUS prin TCP/IP, ceea ce înseamnă o creștere a timpului de interogare de mai multe ori. Prelungitoarele de magistrală pot fi folosite pentru a conecta modulele, ceea ce permite amplasarea convenabilă a modulelor în dulapul de automatizare.
Controler Fastwel cu module I/O conectate. Sursă:
Total: cum toate acestea sunt folosite în practică în sistemele automate de control al proceselor
Desigur, varietatea de tipuri de protocoale moderne de transfer de date industriale este mult mai mare decât am descris în acest articol. Unele sunt legate de un anumit producător, altele, dimpotrivă, sunt universale. La dezvoltarea sistemelor automate de control al proceselor (APCS), inginerul selectează protocoalele optime, ținând cont de sarcinile și limitările specifice (tehnice și bugetare).
Dacă vorbim despre prevalența unui anumit protocol de schimb, putem oferi o diagramă a companiei HMS Networks AB, care ilustrează cotele de piață ale diferitelor tehnologii de schimb în rețelele industriale.
Sursa:
După cum se poate observa în diagramă, PRONET și PROFIBUS de la Siemens ocupă pozițiile de frunte.
Interesant, acum 6 ani .
Tabelul de mai jos conține date rezumative despre protocoalele de schimb descrise. Unii parametri, de exemplu, performanța, sunt exprimați în termeni abstracti: ridicat / scăzut. Echivalentele numerice pot fi găsite în articolele de analiză a performanței.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Strat fizic
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Nivelul de date
|
Canal (cadre Ethernet)
|
Canal (cadre Ethernet)
|
Canal (cadre Ethernet), Rețea/transport (TCP/IP)
|
Rețea/Transport (TCP/IP)
|
Rețea/Transport (TCP/IP)
|
|
Suport în timp real
|
Da
|
Da
|
Da
|
Da
|
Nu
|
|
productivitate
|
Mare
|
Mare
|
IRT – ridicat, RT – mediu
|
Mediu
|
scăzut
|
|
Lungimea cablului între noduri
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fazele de transfer
|
Nu
|
Izocron + asincron
|
IRT – izocron + asincron, RT – asincron
|
Nu
|
Nu
|
|
Numărul de noduri
|
65535
|
240
|
Limitarea rețelei TCP/IP
|
Limitarea rețelei TCP/IP
|
Limitarea rețelei TCP/IP
|
|
Rezolvarea coliziunilor
|
Topologie inel
|
Sincronizare ceas, faze de transmisie
|
Topologie inel, faze de transmisie
|
Comutatoare, topologie în stea
|
Comutatoare, topologie în stea
|
|
Schimb la cald
|
Nu
|
Da
|
Da
|
Da
|
În funcție de implementare
|
|
Costul echipamentului
|
scăzut
|
scăzut
|
Mare
|
Mediu
|
scăzut
|
Domeniile de aplicare ale protocoalelor de schimb descrise, magistralelor de teren și rețelelor industriale sunt foarte diverse. De la industria chimică și auto până la tehnologia aerospațială și producția de electronice. Protocoalele de schimb de mare viteză sunt solicitate în sistemele de poziționare în timp real pentru diverse dispozitive și în robotică.
Cu ce protocoale ați lucrat și unde le-ați aplicat? Împărtășește-ți experiența în comentarii. 🙂
Sursa: www.habr.com