govorili smo o tem, kako delujejo vodila in protokoli v industrijski avtomatizaciji. Tokrat se bomo osredotočili na sodobne delovne rešitve: pogledali bomo, kakšni protokoli se uporabljajo v sistemih po svetu. Poglejmo si tehnologije nemških podjetij Beckhoff in Siemens, avstrijskega B&R, ameriškega Rockwell Automation in ruskega Fastwela. Proučevali bomo tudi univerzalne rešitve, ki niso vezane na določenega proizvajalca, kot sta EtherCAT in CAN.
Na koncu članka bo primerjalna tabela z značilnostmi protokolov EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP in ModbusTCP.
V pregled nismo vključili protokolov PRP, HSR, OPC UA in drugih, ker O njih na Habréju že obstajajo odlični članki naših kolegov inženirjev, ki razvijajo sisteme industrijske avtomatizacije. na primer и .
Najprej opredelimo terminologijo: Industrial Ethernet = industrijsko omrežje, Fieldbus = field bus. V ruski industrijski avtomatizaciji obstaja zmeda glede pojmov, povezanih s terenskim vodilom in industrijskim omrežjem nižje ravni. Pogosto so ti izrazi združeni v en sam, nejasen koncept, imenovan "nižja raven", ki se imenuje tako fieldbus kot podnivojsko vodilo, čeprav morda sploh ni vodilo.
Zakaj tako?Ta zmeda je najverjetneje posledica dejstva, da je v mnogih sodobnih krmilnikih povezava V/I modulov pogosto izvedena z uporabo hrbtne plošče ali fizičnega vodila. To pomeni, da se določeni kontakti vodila in konektorji uporabljajo za združevanje več modulov v eno samo enoto. Toda takšna vozlišča se lahko medsebojno povežejo z industrijskim omrežjem in terenskim vodilom. V zahodni terminologiji obstaja jasna delitev: omrežje je omrežje, avtobus je avtobus. Prvi je označen z izrazom Industrial Ethernet, drugi z Fieldbus. Članek predlaga uporabo izraza "industrijsko omrežje" in izraza "field bus" za te koncepte.
Standard industrijskega omrežja EtherCAT, ki ga je razvil Beckhoff
Protokol EtherCAT in industrijsko omrežje je danes morda eden najhitrejših načinov prenosa podatkov v sistemih avtomatizacije. Omrežje EtherCAT se uspešno uporablja v porazdeljenih sistemih avtomatizacije, kjer so medsebojno delujoča vozlišča ločena na velike razdalje.
Protokol EtherCAT uporablja standardne okvirje Ethernet za prenos svojih telegramov, tako da ostaja združljiv s katero koli standardno opremo Ethernet in pravzaprav je sprejem in prenos podatkov mogoče organizirati na katerem koli krmilniku Ethernet, če je na voljo ustrezna programska oprema.
Krmilnik Beckhoff s kompletom I/O modulov. Vir:
Specifikacija protokola je odprta in dostopna, vendar le v okviru razvojnega združenja - EtherCAT Technology Group.
Evo, kako deluje EtherCAT (spektakel je očarljiv, kot igra Zuma Inca):
Visoka hitrost izmenjave v tem protokolu - in lahko govorimo o enotah mikrosekund - je uresničena zaradi dejstva, da so razvijalci zavrnili izmenjavo z uporabo telegramov, poslanih neposredno na določeno napravo. Namesto tega se v omrežje EtherCAT pošlje en telegram, ki je naslovljen na vse naprave hkrati, vsako od podrejenih vozlišč za zbiranje in prenos informacij (pogosto jih imenujemo tudi OSO - objektna komunikacijska naprava) iz njega vzame "sproti" podatke, ki so mu bili namenjeni, in v telegram vnese podatke, ki jih je pripravljen posredovati za izmenjavo. Telegram se nato pošlje naslednjemu podrejenemu vozlišču, kjer se izvede ista operacija. Po prehodu skozi vse krmilne naprave se telegram vrne v glavni krmilnik, ki na podlagi podatkov, prejetih od podrejenih naprav, izvaja krmilno logiko, ponovno pa prek telegrama komunicira s podrejenimi vozlišči, ki izdajo krmilni signal opremo.
Omrežje EtherCAT ima lahko poljubno topologijo, vendar bo v bistvu vedno obročasto – zaradi uporabe polnega dupleksnega načina in dveh Ethernet priključkov. Na ta način bo telegram vedno zaporedno poslan vsaki napravi na vodilu.
Shematski prikaz omrežja Ethercat z več vozlišči. Vir:
Mimogrede, specifikacija EtherCAT ne vsebuje omejitev za fizično plast 100Base-TX, zato je izvedba protokola možna na podlagi gigabitnih in optičnih linij.
Odprta industrijska omrežja in standardi PROFIBUS/NET iz Siemensa
Nemški koncern Siemens je že dolgo znan po svojih programabilnih logičnih krmilnikih (PLC), ki se uporabljajo po vsem svetu.
Izmenjava podatkov med vozlišči avtomatiziranega sistema, ki ga krmili oprema Siemens, se izvaja tako preko field busa PROFIBUS kot v industrijskem omrežju PROFINET.
Vodilo PROFIBUS uporablja poseben dvožilni kabel s konektorji DB-9. Siemens ga ima v vijolični barvi, smo pa v praksi videli tudi druge :). Za povezavo več vozlišč lahko konektor poveže dva kabla. Ima tudi stikalo za priključni upor. Na končnih napravah omrežja mora biti prižgan terminalni upor, ki nakazuje, da je to prva ali zadnja naprava, za njo pa ni nič, samo tema in praznina (tako delujejo vsi rs485). Če vklopite upor na vmesnem konektorju, se odsek za njim izklopi.
PROFIBUS kabel s priključnimi konektorji. Vir:
Omrežje PROFINET uporablja analogni dvožilni kabel, običajno s konektorji RJ-45, kabel je zelene barve. Če je topologija PROFIBUS-a vodilo, potem je lahko topologija omrežja PROFINET karkoli: obroč, zvezda, drevo ali vse skupaj.
Krmilnik Siemens s priključenim kablom PROFINET. Vir: w3.siemens.com
Na vodilu PROFIBUS in v omrežju PROFINET obstaja več komunikacijskih protokolov.
Za PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementacija tega protokola vključuje komunikacijo z oddaljenimi podrejenimi napravami, v primeru PROFINET ta protokol ustreza protokolu PROFINET IO.
- PROFIBUS PA je v bistvu enak PROFIBUS DP, uporablja se le za protieksplozijsko varne različice prenosa podatkov in napajanja (analogno PROFIBUS DP z drugačnimi fizikalnimi lastnostmi). Za PROFINET protieksplozijsko varen protokol, podoben PROFIBUS-u, še ne obstaja.
- PROFIBUS FMS - zasnovan za izmenjavo podatkov s sistemi drugih proizvajalcev, ki ne morejo uporabljati PROFIBUS DP. Analog PROFIBUS FMS v omrežju PROFINET je protokol PROFINET CBA.
Za PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protokol PROFINET IO je razdeljen na več razredov:
- PROFINET NRT (non-real time) – uporablja se v aplikacijah, kjer časovni parametri niso kritični. Uporablja protokol za prenos podatkov Ethernet TCP/IP in UDP/IP.
- PROFINET RT (v realnem času) - tukaj je izmenjava V/I podatkov izvedena z uporabo ethernet okvirjev, vendar se diagnostični in komunikacijski podatki še vedno prenašajo prek UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Ta protokol je bil razvit posebej za aplikacije za nadzor gibanja in vključuje fazo izohronskega prenosa podatkov.
Kar zadeva implementacijo protokola PROFINET IRT v trdem realnem času, za komunikacijo z oddaljenimi napravami razlikuje dva kanala izmenjave: izohron in asinhron. Izohroni kanal s fiksno dolžino cikla izmenjave uporablja sinhronizacijo ure in prenaša časovno kritične podatke, za prenos pa se uporabljajo telegrami druge stopnje. Trajanje prenosa v izohronskem kanalu ne presega 1 milisekunde.
Asinhroni kanal prenaša tako imenovane podatke v realnem času, ki so tudi naslovljeni preko MAC naslova. Poleg tega se prek TCP/IP prenašajo različne diagnostične in pomožne informacije. Niti podatki v realnem času, še manj pa druge informacije seveda ne morejo prekiniti izokronega cikla.
Razširjen nabor funkcij PROFINET IO ni potreben za vsak sistem industrijske avtomatizacije, zato je ta protokol prilagojen za določen projekt, pri čemer se upoštevajo razredi skladnosti ali razredi skladnosti: CC-A, CC-B, CC-CC. Razredi skladnosti vam omogočajo, da izberete terenske naprave in hrbtenične komponente z minimalno zahtevano funkcionalnostjo.
Vir:
Drugi protokol izmenjave v omrežju PROFINET - PROFINET CBA - se uporablja za organizacijo industrijske komunikacije med opremo različnih proizvajalcev. Glavna proizvodna enota v sistemih IAS je določena entiteta, imenovana komponenta. Ta komponenta je običajno zbirka mehanskih, električnih in elektronskih delov naprave ali instalacije ter pripadajoče programske opreme. Za vsako komponento je izbran programski modul, ki vsebuje popoln opis vmesnika te komponente v skladu z zahtevami standarda PROFINET. Nato se ti programski moduli uporabljajo za izmenjavo podatkov z napravami.
Protokol B&R Ethernet POWERLINK
Protokol Powerlink je v začetku leta 2000 razvilo avstrijsko podjetje B&R. To je še ena izvedba protokola v realnem času poleg standarda Ethernet. Specifikacija protokola je na voljo in se distribuira prosto.
Tehnologija Powerlink uporablja tako imenovani mehanizem mešanega anketiranja, ko je vsa interakcija med napravami razdeljena na več faz. Posebej kritični podatki se prenašajo v izohroni fazi izmenjave, za katero je konfiguriran zahtevani odzivni čas, preostali podatki pa se prenašajo, če je le mogoče, v asinhroni fazi.
Krmilnik B&R s kompletom I/O modulov. Vir: br-automation.com
Protokol je bil prvotno implementiran na vrhu fizične plasti 100Base-TX, kasneje pa je bila razvita gigabitna implementacija.
Protokol Powerlink uporablja mehanizem za načrtovanje komunikacije. V omrežje se pošlje določen marker ali kontrolno sporočilo, s pomočjo katerega se ugotovi, katera od naprav ima trenutno dovoljenje za izmenjavo podatkov. Samo ena naprava ima lahko hkrati dostop do centrale.
Shematski prikaz omrežja Ethernet POWERLINK z več vozlišči.
V izohroni fazi polling krmilnik zaporedno pošlje zahtevo vsakemu vozlišču, od katerega mora prejeti kritične podatke.
Izokrona faza se izvaja, kot že omenjeno, z nastavljivim časom cikla. V asinhroni fazi izmenjave se uporablja IP protokolni sklad, krmilnik zahteva nekritične podatke od vseh vozlišč, ki pošljejo odgovor, ko pridobijo dostop za prenos v omrežje. Časovno razmerje med izokrono in asinhrono fazo je mogoče nastaviti ročno.
Protokol Ethernet/IP Rockwell Automation
Protokol EtherNet/IP je bil razvit z aktivnim sodelovanjem ameriškega podjetja Rockwell Automation leta 2000. Uporablja sklad TCP in UDP IP in ga razširja za aplikacije industrijske avtomatizacije. Drugi del imena v nasprotju s splošnim prepričanjem ne pomeni Internet Protocol, temveč Industrial Protocol. UDP IP uporablja komunikacijski sklad CIP (Common Interface Protocol), ki se uporablja tudi v omrežjih ControlNet/DeviceNet in je implementiran na vrhu TCP/IP.
Specifikacija EtherNet/IP je javno dostopna in prosto dostopna. Topologija omrežja Ethernet/IP je lahko poljubna in vključuje obroč, zvezdo, drevo ali vodilo.
Poleg standardnih funkcij protokolov HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP izvaja prenos časovno kritičnih podatkov med polling krmilnikom in I/O napravami. Prenos časovno nekritičnih podatkov zagotavljajo TCP paketi, časovno kritična dostava cikličnih kontrolnih podatkov pa poteka preko UDP protokola.
Za sinhronizacijo časa v porazdeljenih sistemih EtherNet/IP uporablja protokol CIPsync, ki je razširitev komunikacijskega protokola CIP.
Shematski prikaz Ethernet/IP omrežja z več vozlišči in povezavo Modbus naprav. Vir:
Za poenostavitev nastavitve omrežja EtherNet/IP ima večina standardnih naprav za avtomatizacijo vnaprej določene konfiguracijske datoteke.
Implementacija protokola FBUS pri Fastwelu
Dolgo smo razmišljali, ali bi na ta seznam vključili rusko podjetje Fastwel s svojo domačo implementacijo industrijskega protokola FBUS, potem pa smo se odločili napisati nekaj odstavkov za boljše razumevanje realnosti zamenjave uvoza.
Obstajata dve fizični izvedbi FBUS. Eden od njih je vodilo, v katerem protokol FBUS teče na vrhu standarda RS485. Poleg tega obstaja implementacija FBUS v industrijsko omrežje Ethernet.
FBUS težko imenujemo hiter protokol, odzivni čas je močno odvisen od števila I/O modulov na vodilu in od parametrov izmenjave, običajno se giblje od 0,5 do 10 milisekund. Eno podrejeno vozlišče FBUS lahko vsebuje le 64 I/O modulov. Pri fieldbusu dolžina kabla ne sme presegati 1 metra, zato ne govorimo o porazdeljenih sistemih. Natančneje, da, vendar le pri uporabi industrijskega omrežja FBUS prek TCP/IP, kar pomeni nekajkratno povečanje časa anketiranja. Za povezovanje modulov se lahko uporabljajo podaljški Bus, kar omogoča priročno postavitev modulov v omarico za avtomatizacijo.
Krmilnik Fastwel s povezanimi I/O moduli. Vir:
Skupaj: kako se vse to uporablja v praksi v sistemih za avtomatsko vodenje procesov
Seveda je raznolikost vrst sodobnih industrijskih protokolov za prenos podatkov veliko večja, kot smo opisali v tem članku. Nekateri so vezani na določenega proizvajalca, nekateri so, nasprotno, univerzalni. Pri razvoju avtomatiziranih sistemov za vodenje procesov (APCS) inženir izbere optimalne protokole ob upoštevanju specifičnih nalog in omejitev (tehničnih in proračunskih).
Če govorimo o razširjenosti določenega protokola izmenjave, lahko ponudimo diagram podjetja HMS Networks AB, ki ponazarja tržne deleže različnih tehnologij izmenjave v industrijskih omrežjih.
Vir:
Kot je razvidno iz diagrama, PRONET in PROFIBUS iz Siemensa zasedata vodilna mesta.
Zanimivo, pred 6 leti .
Spodnja tabela vsebuje povzetek podatkov o opisanih protokolih izmenjave. Nekateri parametri, na primer zmogljivost, so izraženi v abstraktnih izrazih: visoko / nizko. Numerične ekvivalente je mogoče najti v člankih o analizi uspešnosti.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Fizični sloj
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Raven podatkov
|
Kanal (okvirji Ethernet)
|
Kanal (okvirji Ethernet)
|
Kanal (okvirji Ethernet), omrežje/prenos (TCP/IP)
|
Omrežje/prenos (TCP/IP)
|
Omrežje/prenos (TCP/IP)
|
|
Podpora v realnem času
|
Da
|
Da
|
Da
|
Da
|
Št
|
|
Produktivnost
|
Visoka
|
Visoka
|
IRT – visoko, RT – srednje
|
Povprečje
|
Nizka
|
|
Dolžina kabla med vozlišči
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Faze prenosa
|
Št
|
Izohroni + asinhroni
|
IRT – izohron + asinhron, RT – asinhron
|
Št
|
Št
|
|
Število vozlišč
|
65535
|
240
|
Omejitev omrežja TCP/IP
|
Omejitev omrežja TCP/IP
|
Omejitev omrežja TCP/IP
|
|
Rešitev trčenja
|
Topologija obroča
|
Sinhronizacija ure, faze prenosa
|
Topologija obroča, faze prenosa
|
Stikala, zvezdasta topologija
|
Stikala, zvezdasta topologija
|
|
Vroča zamenjava
|
Št
|
Da
|
Da
|
Da
|
Odvisno od izvedbe
|
|
Stroški opreme
|
Nizka
|
Nizka
|
Visoka
|
Povprečje
|
Nizka
|
Področja uporabe opisanih protokolov izmenjave, fieldbus in industrijskih omrežij so zelo raznolika. Od kemične in avtomobilske industrije do vesoljske tehnologije in proizvodnje elektronike. Protokoli hitre izmenjave so v povpraševanju v sistemih za določanje položaja v realnem času za različne naprave in v robotiki.
S kakšnimi protokoli ste delali in kje ste jih uporabili? Delite svoje izkušnje v komentarjih. 🙂
Vir: www.habr.com