hovorili sme o tom, ako fungujú zbernice a protokoly v priemyselnej automatizácii. Tentokrát sa zameriame na moderné fungujúce riešenia: pozrieme sa na to, aké protokoly sa používajú v systémoch po celom svete. Uvažujme o technológiách nemeckých spoločností Beckhoff a Siemens, rakúskej B&R, americkej Rockwell Automation a ruskej Fastwel. Budeme tiež študovať univerzálne riešenia, ktoré nie sú viazané na konkrétneho výrobcu, ako napríklad EtherCAT a CAN.
Na konci článku bude porovnávacia tabuľka s charakteristikami protokolov EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP a ModbusTCP.
Do prehľadu sme nezahrnuli protokoly PRP, HSR, OPC UA a iné, pretože Na Habré o nich už existujú vynikajúce články od našich kolegov inžinierov, ktorí vyvíjajú systémy priemyselnej automatizácie. Napríklad, и .
Najprv si definujme terminológiu: Industrial Ethernet = priemyselná sieť, Fieldbus = prevádzková zbernica. V ruskej priemyselnej automatizácii existuje zmätok v pojmoch súvisiacich s poľnou zbernicou a priemyselnou sieťou nižšej úrovne. Tieto pojmy sa často kombinujú do jedného vágneho konceptu nazývaného „nižšia úroveň“, ktorý sa označuje ako prevádzková zbernica aj podúrovňová zbernica, hoci to vôbec nemusí byť zbernica.
Prečo je to?Tento zmätok je najpravdepodobnejšie spôsobený skutočnosťou, že v mnohých moderných regulátoroch sa pripojenie I/O modulov často realizuje pomocou základnej dosky alebo fyzickej zbernice. To znamená, že určité zbernicové kontakty a konektory sa používajú na spojenie niekoľkých modulov do jednej jednotky. Takéto uzly však môžu byť prepojené priemyselnou sieťou aj poľnou zbernicou. V západnej terminológii existuje jasné rozdelenie: sieť je sieť, zbernica je zbernica. Prvý je označený pojmom Industrial Ethernet, druhý Fieldbus. Článok navrhuje pre tieto pojmy používať termín „priemyselná sieť“ a termín „poľná zbernica“.
Priemyselný sieťový štandard EtherCAT, vyvinutý spoločnosťou Beckhoff
Protokol a priemyselná sieť EtherCAT je možno jednou z najrýchlejších metód prenosu dát v automatizačných systémoch súčasnosti. Sieť EtherCAT sa úspešne používa v distribuovaných automatizačných systémoch, kde sú interagujúce uzly oddelené na veľké vzdialenosti.
Protokol EtherCAT používa na prenos svojich telegramov štandardné ethernetové rámce, takže zostáva kompatibilný s akýmkoľvek štandardným ethernetovým zariadením a v skutočnosti môže byť príjem a prenos dát organizovaný na akomkoľvek ethernetovom radiči za predpokladu, že je k dispozícii príslušný softvér.
Beckhoff radič so sadou I/O modulov. Zdroj:
Špecifikácia protokolu je otvorená a dostupná, ale len v rámci vývojového združenia – EtherCAT Technology Group.
Tu je návod, ako funguje EtherCAT (podívaná je fascinujúca, ako hra Zuma Inca):
Vysoká rýchlosť výmeny v tomto protokole – a môžeme hovoriť o jednotkách mikrosekúnd – je realizovaná vďaka tomu, že vývojári odmietli výmenu pomocou telegramov zasielaných priamo na konkrétne zariadenie. Namiesto toho sa do siete EtherCAT odošle jeden telegram, ktorý je adresovaný všetkým zariadeniam súčasne, pričom každý z podriadených uzlov na zhromažďovanie a prenos informácií (často sa im hovorí aj OSO - objektové komunikačné zariadenie) si z neho berie „za behu“ údaje, ktoré na to boli určené a vloží do telegramu údaje, ktoré je pripravený poskytnúť na výmenu. Telegram sa potom odošle do nasledujúceho podriadeného uzla, kde dôjde k rovnakej operácii. Po prejdení cez všetky riadiace zariadenia sa telegram vráti do hlavného kontroléra, ktorý na základe údajov prijatých z podriadených zariadení implementuje riadiacu logiku a opäť interaguje prostredníctvom telegramu s podriadenými uzlami, ktoré vydávajú riadiaci signál vybavenie.
Sieť EtherCAT môže mať akúkoľvek topológiu, ale v podstate to bude vždy kruh – kvôli použitiu plne duplexného režimu a dvoch ethernetových konektorov. Týmto spôsobom bude telegram vždy prenášaný postupne ku každému zariadeniu na zbernici.
Schematické znázornenie siete Ethercat s viacerými uzlami. Zdroj:
Mimochodom, špecifikácia EtherCAT neobsahuje obmedzenia na fyzickú vrstvu 100Base-TX, takže implementácia protokolu je možná na gigabitových a optických linkách.
Otvorené priemyselné siete a štandardy PROFIBUS/NET od spoločnosti Siemens
Nemecký koncern Siemens je už dlho známy svojimi programovateľnými logickými automatmi (PLC), ktoré sa používajú po celom svete.
Výmena dát medzi uzlami automatizovaného systému riadeného zariadeniami Siemens prebieha jednak cez prevádzkovú zbernicu s názvom PROFIBUS, ako aj v priemyselnej sieti PROFINET.
Zbernica PROFIBUS využíva špeciálny dvojžilový kábel s konektormi DB-9. Siemens ho má vo fialovej farbe, no v praxi sme videli aj iné :). Na pripojenie viacerých uzlov môže konektor pripojiť dva káble. Má tiež prepínač pre koncový odpor. Na koncových zariadeniach siete musí byť zapnutý koncový rezistor, čím je indikované, že toto je prvé alebo posledné zariadenie a po ňom už nič, len tma a prázdno (všetky rs485 fungujú takto). Ak zapnete rezistor na medzikonektore, sekcia za ním sa vypne.
PROFIBUS kábel s prepojovacími konektormi. Zdroj:
Sieť PROFINET používa analógový krútený párový kábel, zvyčajne s konektormi RJ-45, kábel má zelenú farbu. Ak je topológiou PROFIBUS zbernica, potom topológia siete PROFINET môže byť akákoľvek: prsteň, hviezda, strom alebo všetko spolu.
Ovládač Siemens s pripojeným káblom PROFINET. Zdroj: w3.siemens.com
Na zbernici PROFIBUS a v sieti PROFINET je viacero komunikačných protokolov.
Pre PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementácia tohto protokolu zahŕňa komunikáciu so vzdialenými slave zariadeniami, v prípade PROFINET tento protokol zodpovedá protokolu PROFINET IO.
- PROFIBUS PA je v podstate rovnaký ako PROFIBUS DP, používa sa len pre verzie prenosu dát a napájania v nevýbušnom prevedení (podobne ako PROFIBUS DP s inými fyzikálnymi vlastnosťami). Pre PROFINET zatiaľ neexistuje protokol odolný voči výbuchu podobný PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - určený na výmenu dát so systémami iných výrobcov, ktoré nemôžu používať PROFIBUS DP. Analógom PROFIBUS FMS v sieti PROFINET je protokol PROFINET CBA.
Pre PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protokol PROFINET IO je rozdelený do niekoľkých tried:
- PROFINET NRT (non-real time) - používa sa v aplikáciách, kde parametre časovania nie sú kritické. Používa protokol na prenos dát Ethernet TCP/IP, ako aj UDP/IP.
- PROFINET RT (real time) - tu je výmena I/O dát realizovaná pomocou ethernetových rámcov, ale diagnostické a komunikačné dáta sa stále prenášajú cez UDP/IP.
- PROFINET IRT (Izochrónny čas v reálnom čase) – Tento protokol bol vyvinutý špeciálne pre aplikácie riadenia pohybu a zahŕňa fázu izochrónneho prenosu údajov.
Čo sa týka implementácie protokolu PROFINET IRT hard real-time, pre komunikáciu so vzdialenými zariadeniami rozlišuje dva výmenné kanály: izochrónny a asynchrónny. Izochrónny kanál s pevnou dĺžkou výmenného cyklu využíva synchronizáciu hodín a prenáša časovo kritické dáta, na prenos sa používajú telegramy druhej úrovne. Trvanie prenosu v izochrónnom kanáli nepresahuje 1 milisekundu.
Asynchrónny kanál prenáša takzvané dáta v reálnom čase, ktoré sú tiež adresované prostredníctvom MAC adresy. Okrem toho sa cez TCP/IP prenášajú rôzne diagnostické a pomocné informácie. Ani dáta v reálnom čase, tým menej iné informácie, samozrejme, nemôžu prerušiť izochrónny cyklus.
Rozšírená sada funkcií PROFINET IO nie je potrebná pre každý systém priemyselnej automatizácie, preto je tento protokol prispôsobený pre konkrétny projekt s ohľadom na triedy zhody alebo triedy zhody: CC-A, CC-B, CC-CC. Triedy zhody vám umožňujú vybrať prevádzkové zariadenia a komponenty chrbtice s minimálnou požadovanou funkčnosťou.
Zdroj:
Druhý výmenný protokol v sieti PROFINET - PROFINET CBA - sa používa na organizáciu priemyselnej komunikácie medzi zariadeniami od rôznych výrobcov. Hlavnou výrobnou jednotkou v systémoch IAS je určitá entita nazývaná komponent. Tento komponent je zvyčajne súborom mechanických, elektrických a elektronických častí zariadenia alebo inštalácie, ako aj súvisiaceho aplikačného softvéru. Pre každý komponent je vybraný softvérový modul, ktorý obsahuje kompletný popis rozhrania tohto komponentu v súlade s požiadavkami štandardu PROFINET. Potom sa tieto softvérové moduly používajú na výmenu údajov so zariadeniami.
Protokol B&R Ethernet POWERLINK
Protokol Powerlink vyvinula rakúska spoločnosť B&R na začiatku 2000. storočia. Toto je ďalšia implementácia protokolu v reálnom čase nad rámec štandardu Ethernet. Špecifikácia protokolu je dostupná a voľne distribuovaná.
Technológia Powerlink využíva takzvaný zmiešaný pollingový mechanizmus, kedy je všetka interakcia medzi zariadeniami rozdelená do niekoľkých fáz. Obzvlášť kritické dáta sa prenášajú vo fáze izochrónnej výmeny, pre ktorú je nakonfigurovaný požadovaný čas odozvy, zvyšné dáta sa prenášajú vždy, keď je to možné, v asynchrónnej fáze.
B&R radič so sadou I/O modulov. Zdroj: br-automation.com
Protokol bol pôvodne implementovaný na vrchole fyzickej vrstvy 100Base-TX, ale neskôr bola vyvinutá gigabitová implementácia.
Protokol Powerlink využíva mechanizmus plánovania komunikácie. Do siete je odoslaná určitá značka alebo riadiaca správa, pomocou ktorej sa zistí, ktoré zo zariadení má momentálne povolenie na výmenu dát. Prístup k ústredni môže mať súčasne iba jedno zariadenie.
Schematické znázornenie siete Ethernet POWERLINK s viacerými uzlami.
V izochrónnej fáze riadiaca jednotka pollingu postupne odošle požiadavku každému uzlu, z ktorého potrebuje prijať kritické údaje.
Izochrónna fáza sa vykonáva, ako už bolo uvedené, s nastaviteľným časom cyklu. V asynchrónnej fáze výmeny sa používa zásobník IP protokolov, radič požaduje nekritické dáta od všetkých uzlov, ktoré po získaní prístupu k sieti posielajú odpoveď. Časový pomer medzi izochrónnou a asynchrónnou fázou je možné nastaviť manuálne.
Ethernet/IP protokol Rockwell Automation
Protokol EtherNet/IP bol vyvinutý za aktívnej účasti americkej spoločnosti Rockwell Automation v roku 2000. Používa TCP a UDP IP stack a rozširuje ho pre aplikácie priemyselnej automatizácie. Druhá časť názvu, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, neznamená internetový protokol, ale priemyselný protokol. UDP IP využíva komunikačný zásobník CIP (Common Interface Protocol), ktorý sa používa aj v sieťach ControlNet/DeviceNet a je implementovaný nad protokolom TCP/IP.
Špecifikácia EtherNet/IP je verejne dostupná a voľne dostupná. Topológia siete Ethernet/IP môže byť ľubovoľná a môže zahŕňať kruh, hviezdu, strom alebo zbernicu.
Okrem štandardných funkcií protokolov HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementuje prenos časovo kritických údajov medzi radičom pollingu a I/O zariadeniami. Prenos nie časovo kritických dát je zabezpečený TCP paketmi a časovo kritické doručovanie cyklických riadiacich dát je realizované cez protokol UDP.
Na synchronizáciu času v distribuovaných systémoch používa EtherNet/IP protokol CIPsync, ktorý je rozšírením komunikačného protokolu CIP.
Schematické znázornenie siete Ethernet/IP s niekoľkými uzlami a pripojením zariadení Modbus. Zdroj:
Na zjednodušenie nastavenia siete EtherNet/IP sa väčšina štandardných automatizačných zariadení dodáva s preddefinovanými konfiguračnými súbormi.
Implementácia protokolu FBUS v spoločnosti Fastwel
Dlho sme uvažovali, či do tohto zoznamu zaradiť aj ruskú spoločnosť Fastwel s jej domácou implementáciou priemyselného protokolu FBUS, ale potom sme sa rozhodli napísať pár odsekov pre lepšie pochopenie reality substitúcie importu.
Existujú dve fyzické implementácie FBUS. Jednou z nich je zbernica, v ktorej nad štandardom RS485 beží protokol FBUS. Okrem toho existuje implementácia FBUS v priemyselnej sieti Ethernet.
FBUS možno len ťažko nazvať vysokorýchlostným protokolom, doba odozvy silne závisí od počtu I/O modulov na zbernici a od parametrov výmeny, zvyčajne sa pohybuje od 0,5 do 10 milisekúnd. Jeden FBUS slave uzol môže obsahovať iba 64 I/O modulov. Pre fieldbus nesmie dĺžka kábla presiahnuť 1 meter, takže nehovoríme o distribuovaných systémoch. Alebo skôr áno, ale len pri použití priemyselnej siete FBUS cez TCP/IP, čo znamená niekoľkonásobné predĺženie doby dopytovania. Na pripojenie modulov je možné použiť predlžovacie káble zbernice, čo umožňuje pohodlné umiestnenie modulov v automatizačnej skrini.
Kontrolér Fastwel s pripojenými I/O modulmi. Zdroj:
Celkom: ako sa toto všetko využíva v praxi v automatizovaných systémoch riadenia procesov
Prirodzene, rozmanitosť typov moderných protokolov na prenos priemyselných údajov je oveľa väčšia, ako sme opísali v tomto článku. Niektoré sú viazané na konkrétneho výrobcu, niektoré sú naopak univerzálne. Pri vývoji automatizovaných systémov riadenia procesov (APCS) inžinier vyberá optimálne protokoly, berúc do úvahy špecifické úlohy a obmedzenia (technické a rozpočtové).
Ak hovoríme o prevalencii konkrétneho výmenného protokolu, môžeme poskytnúť diagram spoločnosti HMS Networks AB, ktorá ilustruje trhové podiely rôznych výmenných technológií v priemyselných sieťach.
Zdroj:
Ako vidno na diagrame, na popredných miestach sú PRONET a PROFIBUS od Siemensu.
Zaujímavé je, že pred 6 rokmi .
Nižšie uvedená tabuľka obsahuje súhrnné údaje o popísaných výmenných protokoloch. Niektoré parametre, napríklad výkon, sú vyjadrené abstraktne: vysoký / nízky. Číselné ekvivalenty možno nájsť v článkoch analýzy výkonnosti.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fyzická vrstva
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Úroveň údajov
|
Kanál (ethernetové rámce)
|
Kanál (ethernetové rámce)
|
Kanál (ethernetové rámce), sieť/prenos (TCP/IP)
|
Sieť/Doprava (TCP/IP)
|
Sieť/Doprava (TCP/IP)
|
|
Podpora v reálnom čase
|
Да
|
Да
|
Да
|
Да
|
Nie
|
|
produktivita
|
Vysoký
|
Vysoký
|
IRT – vysoké, RT – stredné
|
Priemer
|
nízky
|
|
Dĺžka kábla medzi uzlami
|
100
|
100 m/2 km
|
100
|
100
|
100
|
|
Fázy prenosu
|
Nie
|
Izochrónne + asynchrónne
|
IRT – izochrónne + asynchrónne, RT – asynchrónne
|
Nie
|
Nie
|
|
Počet uzlov
|
65535
|
240
|
Obmedzenie siete TCP/IP
|
Obmedzenie siete TCP/IP
|
Obmedzenie siete TCP/IP
|
|
Riešenie kolízie
|
Prstencová topológia
|
Synchronizácia hodín, fázy prenosu
|
Kruhová topológia, fázy prenosu
|
Prepínače, hviezdicová topológia
|
Prepínače, hviezdicová topológia
|
|
Hot swap
|
Nie
|
Да
|
Да
|
Да
|
V závislosti od realizácie
|
|
Náklady na vybavenie
|
nízky
|
nízky
|
Vysoký
|
Priemer
|
nízky
|
Oblasti použitia opísaných výmenných protokolov, prevádzkových zberníc a priemyselných sietí sú veľmi rôznorodé. Od chemického a automobilového priemyslu až po leteckú techniku a výrobu elektroniky. Protokoly vysokorýchlostnej výmeny sú žiadané v systémoch určovania polohy v reálnom čase pre rôzne zariadenia a v robotike.
S akými protokolmi ste pracovali a kde ste ich aplikovali? Podeľte sa o svoje skúsenosti v komentároch. 🙂
Zdroj: hab.com