Pregled sodobnih protokolov v sistemih procesne avtomatizacije

V prejšnjem prispevku smo razložili, kako delujejo vodila in protokoli v industrijski avtomatizaciji. Tokrat se osredotočamo na sodobne delovne rešitve: preverili bomo, kateri protokoli se uporabljajo v sistemih po vsem svetu. Poglejmo tehnologije nemških podjetij Beckhoff in Siemens, avstrijskega B&R, ameriške Rockwell Automation ter ruskega Fastwela. Prav tako bomo preučili univerzalne rešitve, ki niso vezane na posebnega proizvajalca, kot sta EtherCAT in CAN. 

Na koncu članka bo primerjalna tabela s charakteristikami protokolov EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP in ModbusTCP.

V pregled nismo vključili protokolov PRP, HSR, OPC UA in drugih, saj so na Habrju že odlični članki naših kolegov inženirjev, ki se ukvarjajo z razvojem sistemov industrijske avtomatizacije. Na primer, »Protokoli 'brezšivnega' rezerviranja PRP in HSR« in »Vrata industrijskih protokolov izmenjave na Linuxu. Zgradi sam«.

Najprej opredelimo terminologijo: Industrial Ethernet = industrijska omrežja, Fieldbus = poljski vodnik. V ruski industrijski avtomatizaciji pogosto prihaja do zmede v izrazih, ki se nanašajo na poljski vodnik in industrijsko omrežje nižjega nivoja. Pogosto se ti izrazi združujejo v eno nejasno pojmovanje 'nižjega nivoja', ki se imenuje tako poljski vodnik kot tudi vodnik nižjega nivoja, čeprav to morda sploh ni vodnik.

Zakaj je tako?Takšna zmeda je najverjetneje povezana s tem, da v mnogih sodobnih krmilnikih povezava vhodno-izhodnih modulov pogosto poteka s pomočjo združevalne plošče (angl. backplane) ali fizičnega vodnika. To pomeni, da se uporabljajo nekateri stiki in priključki, da se poveže več modulov v enoten sklop. Ti sklopi pa so lahko med seboj povezani bodisi z industrijskim omrežjem bodisi s poljskim vodnikom. V zahodni terminologiji obstaja jasno ločevanje: omrežje je omrežje, vodnik je vodnik. Prvi se označuje s terminom Industrial Ethernet, drugi pa s Fieldbus. V članku se predlaga, da se za ta pojma uporabljata termini 'industrijska omrežja' in 'poljski vodnik' ustrezno.

Standarde industrijskega omrežja EtherCAT, razvoj podjetja Beckhoff

Protokol in industrijska omrežja EtherCAT so, verjetno, eden izmed najhitrejših načinov prenosa podatkov v sistemih avtomatizacije danes. Omrežje EtherCAT se uspešno uporablja v razpršenih sistemih avtomatizacije, kjer so povezani vozli oddaljeni drug od drugega.

Protokol EtherCAT uporablja standardne Ethernet okvirje za prenos svojih telegramov, kar pomeni, da ostaja združljiv z vsakim standardnim Ethernet-om in v bistvu je sprejem in prenos podatkov mogoče organizirati na katerem koli Ethernet krmilniku, ob ustrezni programski opremi.

Beckhoff krmilnik z nizom vhodno-izhodnih modulov. Vir: www.beckhoff.de

Specifikacija protokola je odprta in dostopna, vendar le v okviru združenja za razvoj — EtherCAT Technology Group.

Tako deluje EtherCAT (vizualno je fascinantno, kot igra Zuma Inca):

Visoka hitrost izmenjave v tem protokolu — govora je lahko o enotah mikrosekund — je dosežena, ker so se razvijalci odločili, da ne bodo izmenjavali telegrame, poslane neposredno določenemu napravi. Namesto tega se v omrežje EtherCAT pošlje en telegram, naslovljen na vse naprave hkrati, pri čemer vsako od podrejenih vozlišč za zbiranje in prenos informacij (ki jih pogosto imenujemo USO — naprava za komunikacijo s predmetom) 'vzame na let' tiste podatke, ki so bili namenjeni njim, in vstavi v telegram podatke, ki jih je pripravljeno ponuditi za izmenjavo. Nato se telegram pošlje naslednjemu podrejenemu vozlišču, kjer se izvede enaka operacija. Ko telegram preide vsa USO, se vrne glavnemu krmilniku, ki na podlagi prejetih podatkov od podrejenih naprav izvaja logiko upravljanja, spet z interakcijo preko telegrame s podrejenimi vozli, ki dajejo krmilne signale na opremo.

Omrežje EtherCAT lahko ima katerokoli topologijo, vendar bo v bistvu vedno krog — zaradi uporabe polnodupleksnega načina in dveh Ethernet priključkov. Tako bo telegram vedno sequentially poslan vsaki napravi na avtobus.

Shema omrežja EtherCAT s več vozli. Vir: realpars.com

Konec koncev, specifikacija EtherCAT ne omejuje fyzické úrovně 100Base-TX, takže realizace protokolu je možná na základě gigabitových a optických linek.

Otevřené průmyslové sítě a standardy PROFIBUS/NET společnosti Siemens

Německý koncern Siemens je již dlouho znám svými programovatelnými logickými kontroléry (PLC), které se používají po celém světě.

Výměna dat mezi uzly automatizovaného systému řízeného zařízením Siemens se realizuje jak přes pole, které se nazývá PROFIBUS, tak i v průmyslové síti PROFINET.

Sběrnice PROFIBUS používá speciální dvouvodičový kabel s konektory DB-9. U Siemens je fialový, ale v praxi jsme narazili i na jiné :). Pro propojení několika uzlů může konektor spojovat dva kabely. Také obsahuje přepínač pro terminátor. Terminátor musí být zapnut na koncových zařízeních sítě, čímž signalizuje, že se jedná o první nebo poslední zařízení a za ním už nic není, jen tma a prázdno (takhle fungují všechny rs485). Pokud se na mezilehlém konektoru zapne rezistor, následující úsek bude odpojen.

Kabel PROFIBUS se spojovacími konektory. Zdroj: VIPA Controls America

V síti PROFINET se používá ekvivalent kroucené páry, obvykle s konektory RJ-45, kabel je zbarven do zelena. Pokud je topologie PROFIBUS sběrnice, pak topologie sítě PROFINET může představovat cokoliv: klidně kruh, hvězdu, strom nebo všechno dohromady.

Kontrolér Siemens s připojeným kabelem PROFINET. Zdroj: w3.siemens.com

Existuje několik protokolů pro výměnu na sběrnici PROFIBUS a v síti PROFINET.

Pro PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — implementace tohoto protokolu předpokládá komunikaci s vzdálenými podřízenými zařízeními, v případě PROFINET odpovídá tomuto protokolu protokol PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — v podstatě je to stejné jako PROFIBUS DP, pouze se používá pro výbušně bezpečné varianty přenosu dat a napájení (ekvivalent PROFIBUS DP s jinými fyzickými vlastnostmi). Pro PROFINET pro výbušně bezpečný protokol analogicky s PROFIBUS zatím neexistuje.
3. PROFIBUS FMS — určen pro výměnu dat se systémy jiných výrobců, které nemohou používat PROFIBUS DP. Analogem PROFIBUS FMS v síti PROFINET je protokol PROFINET CBA.

Pro PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol PROFINET IO se dělí na několik tříd:

• PROFINET NRT (brez realnega časa) se uporablja v aplikacijah, kjer časovni parametri niso kritični. Uporablja protokol za prenos podatkov Ethernet TCP/IP ter UDP/IP.
• PROFINET RT (realni čas) - tukaj je izmenjava podatkov vhod/izhod izvedena s pomočjo Ethernet frejmov, vendar se diagnostični podatki in podatki o povezavi še vedno prenašajo prek UDP/IP. 
• PROFINET IRT (izohroni realni čas) - ta protokol je bil razvit posebej za aplikacije upravljanja gibanja in vključuje izohrono fazo prenosa podatkov.

Kar zadeva izvedbo protokola strogega realnega časa PROFINET IRT, so za komunikacijo z oddaljenimi napravami predvideni dva kanala izmenjave: izohroni in asinhoni. Izohroni kanal s fiksno dolžino cikla izmenjave uporablja taktno sinhronizacijo in prenaša časovno kritične podatke, pri prenosu se uporabljajo telegrami druge stopnje. Dolžina prenosa v izohronem kanalu ne presega 1 milisekunde.

V asinhonem kanalu se prenašajo tako imenovani real-time podatki, ki so prav tako naslovljeni preko MAC naslova. Poleg tega se prenaša različne diagnostične in pomožne informacije že preko TCP/IP. Niti real-time podatki, niti druge informacije se seveda ne morejo prekiniti izohroni cikel.

Razširjen nabor funkcij PROFINET IO ni potreben za vsako sistem industrijske avtomatizacije, zato se ta protokol prilagodi specifičnemu projektu, ob upoštevanju razredov skladnosti ali razredov uporabe (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Razredi skladnosti omogočajo izbiro terenskih naprav in magistralnih komponent z minimalno potrebno funkcionalnostjo. 

Izvor: PROFINET univerzitetni pouk

Drugi protokol za razmenu u mreži PROFINET — PROFINET CBA — služi za organizovanje industrijske komunikacije između opreme različitih proizvođača. Osnovna proizvodna jedinica u SVA sistemima je neka vrsta entiteta, koja se naziva komponentom. Ova komponenta obično predstavlja skup mehaničkog, električnog i elektronskog dela uređaja ili postrojenja, kao i odgovarajuće aplikativno softversko rešenje. Za svaku komponentu bira se programski modul koji sadrži potpuni opis interfejsa te komponente prema zahtevima PROFINET standarda. Nakon toga, ovi programski moduli se koriste za razmenu podataka sa uređajima. 

Ethernet POWERLINK protokol kompanije B&R

Powerlink protokol je razvijen od austrijske kompanije B&R početkom 2000-ih. Ovo je još jedna implementacija protokola realnog vremena iznad Ethernet standarda. Specifikacija protokola je dostupna i slobodno se deli. 

U Powerlink tehnologiji koristi se mehanizam takozvanog mešovitog ispitivanja, kada se cela interakcija između uređaja deli na nekoliko faza. Posebno kritični podaci se prenose u izohrono fazi razmene, za koju se podešava traženo vreme odziva, dok će ostali podaci biti preneseni po mogućstvu u asinkronoj fazi.

B&R kontroler sa skupom modula za ulaz/izlaz. Izvor: br-automation.com

Prvi protokol je implementiran iznad fizičkog nivoa 100Base-TX, ali je kasnije razvijena i gigabitna verzija.

U Powerlink protokolu koristi se mehanizam planiranja razmene. U mrežu se šalje određeni marker ili upravljačka poruka, pomoću koje se definiše koje od uređaja trenutno ima dozvolu za razmenu podataka. U svakom trenutku pristup razmeni može imati samo jedan uređaj.

Šematski prikaz Ethernet POWERLINK mreže sa više čvorova.

U izohronoj fazi, kontroler za ispitivanje redom šalje zahteve svakom čvoru od kojeg je potrebno dobiti kritične podatke. 

Izohorna faza se izvršava, kao što je već rečeno, s prilagodljivim vremenom ciklusa. U asinhronoj fazi razmene koristi se IP protokol, a kontroler traži nekritične podatke od svih čvorova, koji šalju odgovor čim dobiju pristup mrežnom prenosu. Odnos vremena između izohorne i asinhrone faze može se ručno prilagoditi.

Ethernet/IP protokol kompanije Rockwell Automation

EtherNet/IP protokol razvijen je uz aktivno učešće američke kompanije Rockwell Automation 2000. godine. Koristi TCP i UDP IP protokol i proširuje ga za upotrebu u industrijskoj automatizaciji. Drugi deo imena, suprotno uobičajenom verovanju, ne znači Internet Protocol, već Industrial Protocol. UDP IP koristi komunikacioni stak protokola CIP (Common Interface Protocol), koji se takođe koristi u ControlNet / DeviceNet mrežama i implementira se preko TCP/IP.

Specifikacija EtherNet/IP je javno dostupna i distribuira se besplatno. Topologija Ethernet/IP mreže može biti proizvoljna i uključuje prsten, zvezdu, drvo ili magistralu.

Pored standardnih funkcija HTTP, FTP, SMTP protokola, EtherNet/IP implementira prenos podataka kritičnih za vreme isporuke između kontrolera koji postavlja pitanja i ulazno/izlaznih uređaja. Prenos nekritičnih podataka osigurava TCP paketi, dok se kritični prenos cikličnih podataka za upravljanje vrši putem UDP protokola. 

Za sinhronizaciju vremena u distribuiranim sistemima EtherNet/IP koristi CIPsync protokol, koji je proširenje komunikacionog protokola CIP.

Šematski prikaz Ethernet/IP mreže sa više čvorova i povezivanjem Modbus uređaja. Izvor: www.icpdas.com.tw

Za pojednostavljenje podešavanja Ethernet/IP mreže, većina standardnih automatskih uređaja dolazi s unapred definisanim konfiguracionim fajlovima.

Implementacija FBUS protokola u kompaniji Fastwel

Dugo smo razmišljali da li da uključimo ovu listu rusku kompaniju Fastwel sa njenom domaćom implementacijom industrijskog protokola FBUS, ali smo se ipak odlučili napisati nekoliko pasusa za bolje razumevanje stvarnosti uvođenja domaćih proizvoda.

Postoje dve fizičke implementacije FBUS-a. Jedna od njih je magistrala, u kojoj protokol FBUS funkcioniše preko RS485 standarda. Pored toga, postoji realizacija FBUS-a u industrijskoj Ethernet mreži.

FBUS težko imenovati hitro delujoč protokol, čas odziva pa je močno odvisen od števila vhodno-izhodnih modulov na vodilu in parametrov izmenjave, običajno se giblje med 0,5 in 10 milisekundami. En podrejeni vozel FBUS lahko vsebuje le 64 vhodno-izhodnih modulov. Za poljsko vodilo dolžina kabla ne sme presegati 1 meter, zato o razdeljenih sistemih ne moremo govoriti. Pravilneje rečeno, govoriti lahko, vendar le pri uporabi industrijske mreže FBUS nad TCP/IP, kar pomeni večkratno povečanje časa anketiranja. Za povezovanje modulov se lahko uporabljajo podaljški vodila, kar omogoča priročno namestitev modulov v avtomatizacijskem omaru.

Krmilnik Fastwel s priključenimi vhodno-izhodnimi moduli. Vir: Control Engineering Rusija

Skupaj: kako se to uporablja v praksi v ACU TP

Seveda je raznolikost sodobnih industrijskih protokolov za prenos podatkov precej večja, kot smo jo opisali v tem članku. Nekateri so vezani na določenega proizvajalca, drugi, nasprotno, so univerzalni. Pri razvoju avtomatiziranih sistemov za upravljanje tehnološkega procesa (ACU TP) inženir izbere optimalne protokole, ob upoštevanju specifičnih nalog in omejitev (tehničnih in proračunskih).

Če govorimo o razširjenosti določenega izmenjevalnega protokola, lahko navedemo diagram podjetja HMS Networks AB, ki ilustrira tržne deleže različnih tehnologij izmenjave v industrijskih omrežjih.

Izvor: HMS Networks AB

Kot je razvidno iz diagrama, PRONET in PROFIBUS podjetja Siemens zasedata vodilne položaje.

Zanimivo je, da je pred 6 leti 60% trga zasedala protokola PROFINET in Ethernet/IP.

V spodnji tabeli so zbrani povzetki podatkov o opisanih izmenjevalnih protokolih. Nekateri parametri, na primer, zmogljivost, so izraženi z abstraktnimi izrazi: visoka / nizka. Številčne ekvivalente lahko najdete v člankih o analizi zmogljivosti. 

Oblasti uporabe opisanih protokolov za izmenjavo, poljske vodnike in industrijske mreže so zelo raznolike. Od kemične in avtomobilske industrije do vesoljskih tehnologij in proizvodnje elektronike. Hitri protokoli za izmenjavo so v povpraševanju v sistemih real-time pozicioniranja različnih naprav in v robotiki.

Kateri protokoli ste uporabljali in kje? Delite svoje izkušnje v komentarjih. 🙂

Izvor: habr.com