Prehľad moderných protokolov v systémoch priemyselnej automatizácie

V predchádzajúcej publikácii Prebrali sme si, ako fungujú zbernice a protokoly v priemyselnej automatizácii. Tentoraz sa zameriame na moderné priemyselné riešenia: pozrieme sa na protokoly používané v systémoch po celom svete. Preskúmame technológie od nemeckých spoločností Beckhoff a Siemens, rakúskej B&R, americkej Rockwell Automation a ruskej Fastwel. Preskúmame aj 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 tejto recenzie sme nezahrnuli PRP, HSR, OPC UA a ďalšie protokoly, pretože o nich už existujú vynikajúce články na Habr od našich kolegov inžinierov, ktorí vyvíjajú systémy priemyselnej automatizácie. Napríklad Bezproblémové redundantné protokoly PRP a HSR и Priemyselné protokolové brány na výmenu dát Linux"Zostav si to sám".

Začnime definovaním terminológie: Priemyselný Ethernet = priemyselná sieť, Fieldbus = priemyselná zbernica. V ruskej priemyselnej automatizácii panuje zmätok ohľadom pojmov používaných pre priemyselnú zbernicu a priemyselné siete nižšej úrovne. Tieto pojmy sa často spájajú do jedného vágneho termínu „nižšia úroveň“, ktorý sa označuje ako priemyselná zbernica aj ako zbernica nižšej úrovne, hoci v skutočnosti vôbec nemusí ísť o zbernicu.

Prečo je to?Tento zmätok pravdepodobne pramení zo skutočnosti, že mnoho moderných ovládačov často pripája I/O moduly pomocou zadnej dosky alebo fyzickej zbernice. To znamená, že určité kontakty a konektory zbernice sa používajú na zlúčenie viacerých modulov do jednej jednotky. Tieto jednotky však môžu byť zase pripojené buď prostredníctvom priemyselnej siete, alebo zbernice. Západná terminológia robí jasný rozdiel: sieť je sieť a zbernica je zbernica. Prvá sa označuje ako priemyselný Ethernet, druhá ako zbernica. Tento článok navrhuje používať pre tieto pojmy pojmy „priemyselná sieť“ a „zbernica“.

Priemyselný sieťový štandard EtherCAT, vyvinutý spoločnosťou Beckhoff

Protokol a priemyselná sieť EtherCAT sú pravdepodobne jednou z najrýchlejších metód prenosu dát v automatizačných systémoch, ktoré sú dnes k dispozícii. Sieť EtherCAT sa úspešne používa v distribuovaných automatizačných systémoch, kde sú komunikujúce uzly umiestnené na veľkých vzdialenostiach.

Protokol EtherCAT používa na prenos svojich telegramov štandardné ethernetové rámce, takže je zachovaná kompatibilita s akýmkoľvek štandardným ethernetovým zariadením a v skutočnosti je možné organizovať príjem a prenos údajov na akomkoľvek ethernetovom ovládači, za predpokladu, že je k dispozícii vhodný softvér.

Riadiaca jednotka Beckhoff so sadou I/O modulov. Zdroj: www.beckhoff.de

Špecifikácia protokolu je otvorená a prístupná, ale iba v rámci vývojovej asociácie EtherCAT Technology Group.

Tu je návod, ako funguje EtherCAT (je fascinujúci ako Zuma Inca):

Vysoká výmenná rýchlosť tohto protokolu – hovoríme o mikrosekundách – sa dosahuje tým, že vývojári eliminovali používanie telegramov posielaných priamo na konkrétne zariadenie. Namiesto toho sa do siete EtherCAT odošle jeden telegram adresovaný všetkým zariadeniam súčasne. Každý podriadený uzol na zber a prenos údajov (často označovaný ako zariadenie na získavanie a prenos údajov – DCU) priebežne načítava zamýšľané údaje a vkladá do telegramu údaje, ktoré je pripravený poskytnúť na výmenu. Telegram sa potom odošle na ďalší podriadený uzol, kde sa vykoná rovnaká operácia. Po prejdení všetkými DCU sa telegram vráti do hlavného ovládača, ktorý na základe údajov prijatých z podriadených zariadení implementuje riadiacu logiku a opäť interaguje prostredníctvom telegramu s podriadenými uzlami, ktoré potom odošlú riadiaci signál do zariadenia.

Sieť EtherCAT môže mať akúkoľvek topológiu, ale v podstate vždy bude kruhová kvôli použitiu plne duplexného režimu a dvoch ethernetových konektorov. Preto sa telegram vždy bude prenášať postupne do každého zariadenia na zbernici.

Schematické znázornenie siete Ethercat s viacerými uzlami. Zdroj: realpars.com

Mimochodom, špecifikácia EtherCAT neobsahuje žiadne obmedzenia fyzickej vrstvy 100Base-TX, takže protokol je možné implementovať pomocou gigabitových a optických liniek.

Otvorené priemyselné siete spoločnosti Siemens a štandardy PROFIBUS/NET

Nemecký koncern Siemens je dlhodobo známy svojimi programovateľnými logickými automatmi (PLC), ktoré sa používajú po celom svete.

Výmena dát medzi uzlami automatizovaného systému riadeného zariadeniami Siemens je realizovaná prostredníctvom prevádzkovej zbernice s názvom PROFIBUS aj v priemyselnej sieti PROFINET.

Zbernica PROFIBUS používa špeciálny dvojvodičový kábel s konektormi DB-9. Siemens má fialový typ, ale v praxi sme videli aj iné. Na pripojenie viacerých uzlov je možné pomocou konektora prepojiť dva káble. Má tiež prepínač pre zakončovací odpor. Zakončovací odpor musí byť zapnutý na koncových zariadeniach siete, čo znamená, že ide o prvé alebo posledné zariadenie a že za ním nie je nič iné, len tma a prázdnota (všetky RS485 fungujú týmto spôsobom). Ak je odpor zapnutý na medziľahlom konektore, nasledujúca časť bude vypnutá.

PROFIBUS kábel s konektormi. Zdroj: VIPA ControlsAmerica

Sieť PROFINET používa krútený párový kábel, zvyčajne s konektormi RJ-45, a kábel je zelenej farby. Zatiaľ čo topológia PROFIBUS je zbernica, topológia siete PROFINET môže byť akákoľvek: kruh, hviezda, strom alebo všetky tri.

Riadiaca jednotka Siemens s pripojeným káblom PROFINET. Zdroj: w3.siemens.com

Na zbernici PROFIBUS a v sieti PROFINET existuje niekoľko komunikačných protokolov.

Pre PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - implementácia tohto protokolu predpokladá komunikáciu so vzdialenými podriadenými zariadeniami; v prípade PROFINET tento protokol zodpovedá protokolu PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA je v podstate rovnaký ako PROFIBUS DP, ale používa sa na prenos dát a energie v nevýbušnom prostredí (analogicky s PROFIBUS DP s odlišnými fyzikálnymi vlastnosťami). Pre PROFINET zatiaľ neexistuje protokol odolný voči výbuchu podobný PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS je určený na výmenu dát so systémami iných výrobcov, ktoré nemôžu používať PROFIBUS DP. Protokol PROFINET CBA je ekvivalentom PROFIBUS FMS v sieti PROFINET.

Pre PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol PROFINET IO je rozdelený do niekoľkých tried:

• PROFINET NRT (non-real-time) sa používa v aplikáciách, kde načasovanie nie je kritické. Používa ethernetový protokol prenosu dát. TCP/IP, ako aj UDP/IP.
• PROFINET RT (Real Time) – Tu je výmena I/O dát implementovaná pomocou ethernetových rámcov, ale diagnostické a komunikačné dáta sa stále prenášajú cez UDP/IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Tento protokol bol vyvinutý špeciálne pre aplikácie riadenia pohybu a zahŕňa fázu izochrónneho prenosu dát.

Pokiaľ ide o implementáciu protokolu PROFINET IRT pre prácu v reálnom čase, na komunikáciu so vzdialenými zariadeniami sa používajú dva komunikačné kanály: izochrónny a asynchrónny. Izochrónny kanál s pevne stanovenou dĺžkou výmenného cyklu využíva synchronizáciu hodín a prenáša časovo kritické dáta pomocou telegramov vrstvy 2. Trvanie prenosu v izochrónnom kanáli nepresahuje 1 milisekundu.

Asynchrónny kanál prenáša tzv. dáta v reálnom čase, ktoré sú tiež adresované prostredníctvom MAC adresy. Okrem toho sa cezň prenášajú rôzne diagnostické a pomocné informácie. TCP/IPAni dáta v reálnom čase, ani žiadne iné informácie, samozrejme, nemôžu prerušiť izochrónny cyklus.

Rozsiahla sada funkcií PROFINET IO nie je vyžadovaná pre každý systém priemyselnej automatizácie, preto je tento protokol prispôsobený špecifickým projektom s ohľadom na triedy zhody: CC-A, CC-B a CC-CC. Triedy zhody vám umožňujú vybrať si poľné zariadenia a komponenty chrbticovej siete s minimálnou požadovanou funkčnosťou. 

Zdroj: Univerzitná lekcia PROFINET

Druhý protokol pre komunikáciu v sieti PROFINET – PROFINET CBA – sa používa na nadviazanie priemyselnej komunikácie medzi zariadeniami od rôznych výrobcov. Základnou výrobnou jednotkou v systémoch CBA je entita nazývaná komponent. Tento komponent zvyčajne predstavuje kombinované mechanické, elektrické a elektronické komponenty zariadenia alebo inštalácie, ako aj príslušný aplikačný softvér. Pre každý komponent sa vyberie softvérový modul, ktorý obsahuje kompletný popis rozhrania komponentu podľa štandardu PROFINET. Tieto softvérové ​​moduly sa potom používajú na výmenu údajov so zariadeniami. 

Protokol Ethernet POWERLINK od spoločnosti B&R

Protokol Powerlink vyvinula rakúska spoločnosť B&R začiatkom roku 2000. Ide o ďalšiu implementáciu protokolu reálneho času nad rámec štandardu Ethernet. Špecifikácia protokolu je dostupná a voľne distribuovaná. 

Technológia Powerlink využíva tzv. mechanizmus zmiešaného dotazovania, pri ktorom je všetka komunikácia medzi zariadeniami rozdelená do niekoľkých fáz. Obzvlášť kritické dáta sa prenášajú v izochrónnej fáze, pre ktorú je nakonfigurovaný požadovaný čas odozvy; ostatné dáta sa prenášajú, pokiaľ je to možné, v asynchrónnej fáze.

Riadiaca jednotka B&R so sadou I/O modulov. Zdroj: br-automation.com

Spočiatku bol protokol implementovaný na fyzickej vrstve 100Base-TX, ale neskôr bola vyvinutá gigabitová implementácia.

Protokol Powerlink používa mechanizmus plánovania. Do siete sa odošle token alebo riadiaca správa, ktorá určuje, ktoré zariadenie je aktuálne autorizované na výmenu údajov. K výmene môže mať prístup naraz iba jedno zariadenie.

Schematické znázornenie siete Ethernet POWERLINK s viacerými uzlami.

V izochrónnej fáze kontrolér dotazovania postupne odosiela požiadavku každému uzlu, z ktorého je potrebné získať kritické údaje. 

Izochrónna fáza, ako je uvedené vyššie, pracuje s konfigurovateľným časom cyklu. Asynchrónna fáza využíva protokol IP; riadiaca jednotka požaduje nekritické údaje od všetkých uzlov, ktoré reagujú hneď, ako získajú prístup k sieti. Časový pomer medzi izochrónnou a asynchrónnou fázou je možné nakonfigurovať manuálne.

Ethernetový/IP protokol spoločnosti Rockwell Automation

Protokol EtherNet/IP bol vyvinutý za aktívnej účasti americkej spoločnosti Rockwell Automation v roku 2000. Využíva protokol TCP a UDP IP a rozširuje ho pre použitie v priemyselnej automatizácii. Druhá časť názvu, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, neznamená Internet Protocol (Internet Protocol), ale Industrial Protocol (Industrial Protocol). UDP IP používa komunikačný protokol CIP (Common Interface Protocol), ktorý sa používa aj v sieťach ControlNet/DeviceNet a je implementovaný nad... TCP/IP.

Špecifikácia EtherNet/IP je verejne dostupná a distribuovaná bezplatne. Topológie siete Ethernet/IP môžu byť ľubovoľné a môžu zahŕňať kruh, hviezdu, strom alebo zbernicu.

Okrem štandardných funkcií HTTP, FTP a SMTP implementuje EtherNet/IP prenos časovo kritických dát medzi kontrolérom pollingu a I/O zariadeniami. Časovo nekritické dáta sa prenášajú pomocou TCP paketov, zatiaľ čo časovo kritické doručovanie cyklických riadiacich dát sa rieši cez UDP. 

Na synchronizáciu času v distribuovaných systémoch používa EtherNet/IP protokol CIPsync, ktorý je rozšírením komunikačného protokolu CIP.

Schematické znázornenie siete Ethernet/IP s viacerými pripojenými uzlami a zariadeniami Modbus. Zdroj: www.icpdas.com.tw

Pre zjednodušenie nastavenia siete EtherNet/IP sa väčšina štandardných automatizačných zariadení dodáva s preddefinovanými konfiguračnými súbormi.

Implementácia protokolu FBUS vo Fastwel

Dlho sme diskutovali o tom, či do tohto zoznamu zaradiť aj ruskú spoločnosť Fastwel s jej domácou implementáciou priemyselného protokolu FBUS, ale nakoniec sme sa rozhodli napísať pár odsekov, aby sme lepšie pochopili realitu substitúcie dovozu.

Existujú dve fyzické implementácie FBUS. Jednou je zbernica, v ktorej protokol FBUS funguje cez štandard RS485. Existuje aj implementácia FBUS v priemyselnej ethernetovej sieti.

FBUS sa dá len ťažko nazvať vysokorýchlostným protokolom; čas odozvy je vysoko závislý od počtu I/O modulov na zbernici a parametrov výmeny, zvyčajne sa pohybuje od 0,5 do 10 milisekúnd. Jeden podriadený uzol FBUS môže obsahovať iba 64 I/O modulov. V prípade priemyselnej zbernice nesmie dĺžka kábla presiahnuť 1 meter, takže distribuované systémy neprichádzajú do úvahy. Nuž, je, ale iba pri použití priemyselnej siete FBUS cez... TCP/IP, čo znamená niekoľkonásobné zvýšenie času dotazovania. Na pripojenie modulov je možné použiť rozširovače zbernice, čo umožňuje pohodlné umiestnenie v automatizačnej skrini.

Riadiaca jednotka Fastwel s pripojenými I/O modulmi. Zdroj: Control Engineering Rusko

Zhrnutie: Ako sa toto všetko využíva v praxi v APCS?

Prirodzene, rozmanitosť moderných protokolov pre prenos priemyselných dát je oveľa väčšia, ako sme v tomto článku opísali. Niektoré sú špecifické pre výrobcu, zatiaľ čo iné sú univerzálne. Pri vývoji automatizovaných systémov riadenia procesov (ASRI) inžinieri vyberajú optimálne protokoly na základe špecifických úloh a obmedzení (technických a rozpočtových).

Ak hovoríme o rozšírenosti konkrétneho výmenného protokolu, môžeme poskytnúť diagram spoločnosti HMS Networks AB, ktorý ilustruje trhové podiely rôznych priemyselných sieťových technológií.

Zdroj: HMS Networks AB

Ako je vidieť z diagramu, PRONET a PROFIBUS od spoločnosti Siemens zaujímajú popredné pozície.

Je zaujímavé, že pred 6 rokmi Protokoly PROFINET a Ethernet/IP tvorili 60 % trhu.

V nasledujúcej tabuľke sú zhrnuté údaje pre opísané výmenné protokoly. Niektoré parametre, ako napríklad výkon, sú vyjadrené abstraktne: vysoký/nízky. Číselné ekvivalenty možno nájsť v článkoch o analýze výkonu. 

Oblasti použitia opísaných komunikačných protokolov, zberníc a priemyselných sietí sú mimoriadne rozmanité a siahajú od chemického a automobilového priemyslu až po letecké technológie a výrobu elektroniky. Vysokorýchlostné komunikačné protokoly sú žiadané v systémoch určovania polohy v reálnom čase pre rôzne zariadenia a v robotike.

S akými protokolmi ste pracovali a kde ste ich použili? Podeľte sa o svoje skúsenosti v komentároch. 🙂

Zdroj: hab.com