Përmbledhje e protokolleve moderne në sistemet e automatizimit industrial

Në publikimin e kaluar ne përmendëm se si funksionojnë autobusët dhe protokollet në automatizimin industrial. Këtë herë do të përqendrohemi te zgjidhjet bashkëkohore: do të shohim se cilat protokolle përdoren në sistemet në të gjithë botën. Do të shqyrtojmë teknologjitë e kompanive gjermane Beckhoff dhe Siemens, të Austrisë B&R, të Amerikës Rockwell Automation dhe të Rusisë Fastwel. Gjithashtu, do të studiojmë zgjidhjet universale që nuk lidhen me një prodhues të caktuar, siç janë EtherCAT dhe CAN. 

Në fund të artikullit do të ketë një tabelë krahasuese me karakteristikat e protokolleve EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP dhe ModbusTCP.

Ne nuk përfshim në përmbledhjen tonë protokollet PRP, HSR, OPC UA dhe të tjera, pasi për to në Habr tashmë ka artikuj të shkëlqyer nga kolegët tanë inxhinierë të cilët merren me zhvillimin e sistemeve të automatizimit industrial. Për shembull, «Protokollet e rezervimit 'pa ndërprerje' PRP dhe HSR» dhe «Portat e protokolleve industriale të shkëmbimit në Linux. Ndërtoji vetë».

Fillimisht, le të përcaktojmë terminologjinë: Industrial Ethernet = rrjet industrial, Fieldbus = autobus fushor. Në automatizimin industrial rus ndodhin ngatërresa në terminologji lidhur me autobusët fushorë dhe rrjetin industrial të nivelit të ulët. Shpesh këto terma bashkohen në një koncept të paqartë të quajtur 'nivel i ulët', i cili emërtohet si autobus fushor edhe si autobus i nivelit të ulët, megjithëse kjo mund të mos jetë një autobus fare.

Pse është kështu?Kjo ngatërrim, me siguri lidhet me faktin se në shumë kontrolle moderne, lidhja e moduleve të hyrjes dhe daljes shpesh realizohet me anë të një paneli lidhës (në anglisht backplane) ose një autobusi fizik. Do të thotë që përdoren kontaktet dhe lidhësit e autobusëve për të bashkuar disa module në një njësi të vetme. Por këto njësi, nga ana e tyre, mund të lidhen me njëra-tjetrën si me një rrjet industrial ashtu edhe me një autobus fushor. Në terminologjinë perëndimore ka një ndarje të qartë: rrjeti është rrjet, autobusi është autobus. E para shprehet me termin Industrial Ethernet, e dyta me Fieldbus. Në këtë artikull propozohet që këto koncepte të emërtohen si 'rrjet industrial' dhe 'autobus fushor'.

Standardi i rrjetit industrial EtherCAT, zhvilluar nga kompania Beckhoff

Protokolli dhe rrjeti industrial EtherCAT janë, pa dyshim, një nga mënyrat më të shpejta sot për të transmetuar të dhëna në sistemet e automatizimit. Rrjeti EtherCAT përdoret me sukses në sistemet e shpërndara të automatizimit, ku nyjet e ndërveprimit janë të shpërndara në një distancë të madhe.

Protokolli EtherCAT përdor korniza standarde Ethernet për të transmetuar telegramet e tij, duke ruajtur kështu pajtueshmërinë me çdo pajisje standarde Ethernet dhe, në thelb, pranimi dhe dërgimi i të dhënave mund të organizohet në çdo kontrollor Ethernet, nëse ka softuerin përkatës.

Kontrollori Beckhoff me një grup modulash hyrëse-dalëse. Burimi: www.beckhoff.de

Specifikimi i protokollit është i hapur dhe i disponueshëm, por vetëm brenda kuadrit të asociacionit të zhvillimit - Grupi për Teknologjinë EtherCAT.

Ja si funksionon EtherCAT (pamja është hypnotizuese, si loja Zuma Inca):

Shpejtësia e lartë e shkëmbimit në këtë protokoll - dhe flasim për njësi mikrosekondash - është realizuar për shkak se zhvilluesit e kanë braktisur shkëmbimin me telegramet, që dërgohen një njësi specifike. Në vend të kësaj, në rrjetin EtherCAT dërgohet një telegram i vetëm, i adresuar të gjitha pajisjeve njëkohësisht, çdo njësisë sekondare të mbledhjes dhe transmetimit të informacionit (ato shpesh quhen edhe USO - pajisje lidhëse me objektin) e nxjerr nga ai

Rrjeti EtherCAT mund të ketë çdo topologji, por në thelb gjithmonë do të jetë një unazë - për shkak të përdorimit të modit full-duplex dhe dy jackeve Ethernet. Kështu, telegrami gjithmonë do të transmetohet rresht për çdo pajisje në autobusin.

Një përfaqësim skematik i rrjetit EtherCAT me disa nyje. Burimi: realpars.com

Dhe, specifikimi i EtherCAT nuk ka kufizime në nivelin fizik 100Base-TX, kështu që implementimi i protokollit është i mundshëm mbi linjat gigabit dhe optike.

Të dhënat industrielle të hapura dhe standardet PROFIBUS/NET të kompanisë Siemens

Koncerni gjerman Siemens është njohur prej kohësh për kontrollorët e tij logjikë të programueshëm (PLC), të cilët përdoren në të gjithë botën.

Shkëmbimi i të dhënave ndërmjet nyjeve të sistemit të automatizuar të drejtuar nga pajisjet Siemens realizohet si përmes autobusit të fushës, i quajtur PROFIBUS, ashtu edhe në rrjetin industrial PROFINET.

Autobusi PROFIBUS përdor një kabllo speciale me dy fije me lidhës DB-9. Tek Siemens është ngjyrë vjollcë, por në praktikë kemi hasur dhe të tjera :). Për lidhjen e disa nyjeve, lidhësi mund të bashkojë dy kabllo. Gjithashtu, ai ka një kalim për resistorin terminal. Resistorja terminale duhet të aktivizohet në pajisjet përfundimtare të rrjetit, në këtë mënyrë tregohet se është pajisja e parë ose e fundit, dhe pas saj nuk ka asgjë, vetëm errësirë dhe boshllëk (të gjithë rs485 funksionojnë kështu). Nëse në lidhësin ndërmjetës aktivizohet rezistori, atëherë segmenti që vjen pas tij do të shkëputet.

Kabllo PROFIBUS me lidhës. Burimi: VIPA ControlsAmerica

Në rrjetin PROFINET përdoret një ndërrim i çiftit të twists, zakonisht me lidhës RJ-45, kabllo i ngjyrosur në ngjyrë të gjelbër. Nëse topologjia e PROFIBUS është autobus, atëherë topologjia e rrjetit PROFINET mund të përfaqësojë çfarëdo: qoftë një unazë, qoftë një yll, qoftë një pemë, qoftë gjithçka së bashku.

Kontrollori Siemens me kabllon PROFINET të lidhur. Burimi: w3.siemens.com

Eksistojnë disa protokolle shkëmbimi në autobus PROFIBUS dhe në rrjetin PROFINET.

Për PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — implementimi i këtij protokolli përfshin lidhjen me pajisjet nënshtruese të largëta, në rastin e PROFINET ky protokoll përputhet me protokollin PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — është esencialisht e njëjtë me PROFIBUS DP, vetëm se përdoret për versione të sigurta nga eksplodimi të transmetimit të të dhënave dhe energjisë (edhe bërë PROFIBUS DP me veti fizike të tjera). Për PROFINET deri tani nuk ekziston një protokoll të sigurt nga eksplodimi për analogjinë me PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS — është i destinuar për shkëmbimin e të dhënave me sistemet e prodhuesve të tjerë, të cilët nuk mund të përdorin PROFIBUS DP. Analogjia e PROFIBUS FMS në rrjetin PROFINET është protokolli PROFINET CBA.

Për PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokolli PROFINET IO ndahet në disa klasa:

• PROFINET NRT (pa paqes reale) — përdoret në aplikacione ku parametrat e kohës nuk janë kritik. Ai përdor protokollin e transfertës së të dhënave Ethernet TCP/IP, si dhe UDP/IP.
• PROFINET RT (kohë reale) — këtu ndërrimi i të dhënave të hyrjes/daljes realizohet me ndihmën e kornizave Ethernet, por të dhënat diagnostike dhe ato të komunikimit akoma dërgohen përmes UDP/IP. 
• PROFINET IRT (kohë reale izokronike) — ky protokoll është zhvilluar posaçërisht për aplikacione të menaxhimit të lëvizjes dhe përfshin një fazë izokronike të transfertës së të dhënave.

Sa i përket implementimit të protokollit të kohës reale të fortë PROFINET IRT, për komunikimet me pajisjet e largëta ai ndan dy kanale ndërrimi: izokronik dhe asinkronik. Kanali izokronik me një cikël ndërrimi me kohë të fiksuar përdor sinkronizimin taktiv dhe dërgon të dhëna kritike për kohën, transmetimi kryhet me telegramet e nivelit të dytë. Kohëzgjatja e transmetimit në kanalin izokronik nuk tejkalon 1 milisekondë.

Në kanalin asinkronik transmetohen të dhënat e quajtura real-time, të cilat gjithashtu adresohen përmes adresës MAC. Shtesë, dërgohet informatë e ndryshme diagnostike dhe ndihmëse mbi TCP/IP. As të dhënat real-time, as informacioni tjetër, natyrisht, nuk mund të ndërpresë ciklin izokronik.

Grupi i zgjeruar i funksioneve PROFINET IO nuk është i nevojshëm për çdo sistem të automatizimit industrial, prandaj ky protokoll shkallëzohet sipas projektit të caktuar, duke marrë parasysh klasat e përputhshmërisë ose klasat e aplikimit (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Klasat e përputhshmërisë lejojnë zgjedhjen e pajisjeve të fushës dhe komponenteve të autobuzit me funksionalitetin minimal të nevojshëm. 

Burimi: Mësimi universitar PROFINET

Protocoli i dytë i shkëmbimit në rrjetin PROFINET — PROFINET CBA — shërben për organizimin e komunikimit industrial midis pajisjeve të prodhuesve të ndryshëm. Njësi kryesore prodhimi në sistemet CBA është një entitet i caktuar, i quajtur komponent. Ky komponent zakonisht përbën një kombinim të pjesës mekanike, elektrike dhe elektronike të pajisjes apo sistemit, si dhe softuerin përkatës aplikativ. Për çdo komponent, zgjidhet një modul software, i cili përmban përshkrimin e plotë të ndërfaqes së këtij komponenti sipas kërkesave të standardit PROFINET. Pas kësaj, këta module përdoren për shkëmbimin e të dhënave me pajisjet. 

Protokolli Ethernet POWERLINK i kompanisë B&R

Protokolli Powerlink u zhvillua nga kompania austriake B&R në fillim të viteve 2000. Ky është një tjetër realizim i protokollit në kohë reale mbi standardin Ethernet. Specifikimi i protokollit është i disponueshëm dhe shpërndahet lirshëm. 

Në teknologjinë Powerlink aplikohet mekanizmi i njohur si sondazhi miks, kur të gjithë ndërveprimi midis pajisjeve ndahet në disa faza. Të dhënat veçanërisht kritike transmetohen në fazën izokronike të shkëmbimit, për të cilën konfigurohet koha e kërkuar e reagimit, ndërsa të dhënat e tjera do të dërgohen sa më shpejt të jetë e mundur në fazën asinkrone.

Kontrolleri B&R me një grup modulash hyrëse-dalëse. Burimi: br-automation.com

Fillimisht, protokolli u zbatua mbi nivelin fizik 100Base-TX, por më vonë u zhvillua një realizim gigabit.

Në protokollin Powerlink përdoret mekanizmi i planifikimit të shkëmbimit. Një shenjë ose mesazh kontrolli dërgohet në rrjet, me ndihmën e tij përcaktohet se cili nga pajisjet ka në atë moment lejen për të shkëmbyer të dhëna. Në çdo moment, ka vetëm një pajisje që ka akses në shkëmbim.

Paraqitja skematike e rrjetit Ethernet POWERLINK me disa node.

Në fazën izokronike, kontroleri që pyet dërgon rregullisht kërkesa për çdo node nga i cili është e nevojshme të merret të dhënat kritike. 

Faza izohore kryhet, siç u tha, me një kohë cikli të personalizueshme. Në fazën asinkrone të shkëmbimit, përdoret staku i protokollit IP, ku kontrolluesi kërkon të dhëna jo kritikë nga të gjithë nyjat, të cilat dërgojnë përgjigjen sipas qasjes në transmetimin në rrjet. Raporti i kohës midis fazave izohore dhe asinkrone mund të konfigurohet manualisht.

Protokolli Ethernet/IP i kompanisë Rockwell Automation

Protokolli EtherNet/IP është zhvilluar me pjesëmarrjen aktive të kompanisë amerikane Rockwell Automation në vitin 2000. Ai përdor staku TCP dhe UDP IP dhe e zgjeron atë për aplikime në automatizimin industrial. Pjesa e dytë e emrit, përkundër besimeve të zakonshme, nuk do të thotë Internet Protocol, por Industrial Protocol. UDP IP përdor stakun e komunikimit të protokollit CIP (Common Interface Protocol), i cili gjithashtu përdoret në rrjetet ControlNet / DeviceNet dhe implementohet mbi TCP/IP.

Specifikimi EtherNet/IP është i aksesueshëm publikisht dhe shpërndahet falas. Topologjia e rrjetit Ethernet/IP mund të jetë e rastësishme dhe të përfshijë unazë, yll, pemë ose autobus.

Në përveçim të funksioneve standarde të protokolleve HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementon transfertën e të dhënave kritikë për kohën e dorëzimit midis kontrolluesit të pyetjes dhe pajisjeve të hyrjes/daljes. Transferimi i të dhënave jo kritikë për kohën sigurohet nga paketat TCP, ndërsa dorëzimi kritik për kohën i të dhënave ciklike të kontrollit shkon përmes protokollit UDP. 

Për sinkronizimin e kohës në sistemet e shpërndara, EtherNet/IP përdor protokollin CIPsync, i cili është një zgjerim i protokollit të komunikimit CIP.

Një diagram skematik i rrjetit Ethernet/IP me disa nyje dhe lidhjen e pajisjeve Modbus. Burimi: www.icpdas.com.tw

Për të thjeshtuar konfigurimin e rrjetit EtherNet/IP, shumica e pajisjeve standarde të automatizimit vijnë me skedarë konfigurimi të përcaktuar më parë.

Implementimi i protokollit FBUS në kompaninë Fastwel

U mendua gjatë për të përfshirë këtë listë kompaninë ruse Fastwel me implementimin e saj vendas të protokollit industrial FBUS, por më pas vendosëm të shkruajmë disa paragrafe për një kuptim më të mirë të realiteteve të zëvendësimit të importeve.

Ekzistojnë dy implementime fizike të FBUS. Njëra prej tyre është autobusi, në të cilin protokolli FBUS funksionon mbi standardin RS485. Përveç kësaj, ka një implementim të FBUS në rrjetin industrial Ethernet.

FBUS është e vështirë për ta quajtur një protokoll me shpejtësi të lartë, koha e përgjigjes varet shumë nga numri i moduleve të input-output në autobusin dhe parametrat e shkëmbimit, zakonisht varion midis 0.5-10 milisekonda. Një nënnyje FBUS mund të përmbajë vetëm 64 module input-output. Për autobusin fushor, gjatësia e kabllit nuk mund të kalojë 1 metër, prandaj nuk flasim për sisteme të shpërndara. Në të vërtetë flasim, por vetëm me përdorimin e rrjetit industrial FBUS mbi TCP/IP, që do të thotë rritje e kohës së pyetjes disa herë. Për lidhjen e modulave mund të përdoren shtrirje autobusi, çka lejon vendosjen e modulave në mënyrë të përshtatshme në raftin e automatizimit.

Kontrolluesi Fastwel me modulet e lidhura input-output. Burimi: Control Engineering Rusia

Në përmbledhje: si përdoret tërë kjo në praktikë në ASU TP

Natyrisht, larmishmëria e protokolleve moderne të transferimit të të dhënave industriale është shumë më e madhe se sa e përshkruam në këtë artikull. Disa janë të lidhura me prodhues të caktuar, disa, përkundrazi, janë universale. Gjatë zhvillimit të sistemeve të automatizuara për menaxhimin e procesit teknologjik (ASU TP), inxhinieri zgjedh protokollet optimale, duke marrë parasysh detyrat dhe kufizimet specifike (të natyrshme dhe buxhetore).

Nëse flasim për përhapjen e një protokolli komunikimi të caktuar, mund të sjellim diagramin e kompanisë HMS Networks AB, i cili ilustron pjesët e tregut të teknologjive të ndryshme të komunikimit në rrjetet industriale.

Burimi: HMS Networks AB

Siç duket në diagram, PRONET dhe PROFIBUS nga Siemens kanë pozita dominuese.

Është interesante se 6 vjet më parë 60% e tregut përfaqësoheshin nga protokollet PROFINET dhe Ethernet/IP.

Në tabelën më poshtë janë përmbledhur të dhëna për protokollet e përshkruara të shkëmbimit. Disa parametra, siç janë performanca, shprehen me terma abstraktë: të lartë / të ulët. Ekivalentët numerikë mund të gjenden në artikujt që analizojnë performancën. 

Fushat e aplikimit të protokolleve të tregtimit të përshkruara, autobusëve të fushës dhe rrjeteve industriale janë shumë të ndryshme. Nga industria kimike dhe automobila deri te teknologjitë ajrore dhe prodhimi i elektronikës. Protokollet e shpejta të tregtimit janë të kërkuara në sistemet e pozicionimit në kohë reale të pajisjeve të ndryshme dhe në robotikë.

Dhe me cilët protokolle keni punuar dhe ku i keni aplikuar? Ndani përvojën tuaj në komentet. 🙂

Burimi: habr.com