ne pĂ«rmendĂ«m se si funksionojnĂ« autobusĂ«t dhe protokollet nĂ« automatizimin industrial. KĂ«tĂ« herĂ« do tĂ« pĂ«rqendrohemi te zgjidhjet bashkĂ«kohore: do tĂ« shohim se cilat protokolle pĂ«rdoren nĂ« sistemet nĂ« tĂ« gjithĂ« botĂ«n. Do tĂ« shqyrtojmĂ« teknologjitĂ« e kompanive gjermane Beckhoff dhe Siemens, tĂ« AustrisĂ« B&R, tĂ« AmerikĂ«s Rockwell Automation dhe tĂ« RusisĂ« Fastwel. Gjithashtu, do tĂ« studiojmĂ« zgjidhjet universale qĂ« nuk lidhen me njĂ« prodhues tĂ« caktuar, siç janĂ« EtherCAT dhe CAN.Â
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, dhe .
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:
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:
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:
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.
PĂ«r PROFIBUS:
- PROFIBUS DP â implementimi i kĂ«tij protokolli pĂ«rfshin lidhjen me pajisjet nĂ«nshtruese tĂ« largĂ«ta, nĂ« rastin e PROFINET ky protokoll pĂ«rputhet me protokollin PROFINET IO.
- PROFIBUS PA â Ă«shtĂ« esencialisht e njĂ«jtĂ« me PROFIBUS DP, vetĂ«m se pĂ«rdoret pĂ«r versione tĂ« sigurta nga eksplodimi tĂ« transmetimit tĂ« tĂ« dhĂ«nave dhe energjisĂ« (edhe bĂ«rĂ« PROFIBUS DP me veti fizike tĂ« tjera). PĂ«r PROFINET deri tani nuk ekziston njĂ« protokoll tĂ« sigurt nga eksplodimi pĂ«r analogjinĂ« me PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS â Ă«shtĂ« i destinuar pĂ«r shkĂ«mbimin e tĂ« dhĂ«nave me sistemet e prodhuesve tĂ« tjerĂ«, tĂ« cilĂ«t nuk mund tĂ« pĂ«rdorin PROFIBUS DP. Analogjia e PROFIBUS FMS nĂ« rrjetin PROFINET Ă«shtĂ« protokolli PROFINET CBA.
PĂ«r PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protokolli PROFINET IO ndahet në disa klasa:
- PROFINET NRT (pa paqes reale) â pĂ«rdoret nĂ« aplikacione ku parametrat e kohĂ«s nuk janĂ« kritik. Ai pĂ«rdor protokollin e transfertĂ«s sĂ« tĂ« dhĂ«nave Ethernet TCP/IP, si dhe UDP/IP.
- PROFINET RT (kohĂ« reale) â kĂ«tu ndĂ«rrimi i tĂ« dhĂ«nave tĂ« hyrjes/daljes realizohet me ndihmĂ«n e kornizave Ethernet, por tĂ« dhĂ«nat diagnostike dhe ato tĂ« komunikimit akoma dĂ«rgohen pĂ«rmes UDP/IP.Â
- PROFINET IRT (kohĂ« reale izokronike) â ky protokoll Ă«shtĂ« zhvilluar posaçërisht pĂ«r aplikacione tĂ« menaxhimit tĂ« lĂ«vizjes dhe pĂ«rfshin njĂ« fazĂ« izokronike tĂ« transfertĂ«s sĂ« tĂ« dhĂ«nave.
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 Ă«shtĂ« i nevojshĂ«m pĂ«r çdo sistem tĂ« automatizimit industrial, prandaj ky protokoll shkallĂ«zohet sipas projektit tĂ« caktuar, duke marrĂ« parasysh klasat e pĂ«rputhshmĂ«risĂ« ose klasat e aplikimit (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Klasat e pĂ«rputhshmĂ«risĂ« lejojnĂ« zgjedhjen e pajisjeve tĂ« fushĂ«s dhe komponenteve tĂ« autobuzit me funksionalitetin minimal tĂ« nevojshĂ«m.Â
Burimi:
Protocoli i dytĂ« i shkĂ«mbimit nĂ« rrjetin PROFINET â PROFINET CBA â shĂ«rben pĂ«r organizimin e komunikimit industrial midis pajisjeve tĂ« prodhuesve tĂ« ndryshĂ«m. NjĂ«si kryesore prodhimi nĂ« sistemet CBA Ă«shtĂ« njĂ« entitet i caktuar, i quajtur komponent. Ky komponent zakonisht pĂ«rbĂ«n njĂ« kombinim tĂ« pjesĂ«s mekanike, elektrike dhe elektronike tĂ« pajisjes apo sistemit, si dhe softuerin pĂ«rkatĂ«s aplikativ. PĂ«r çdo komponent, zgjidhet njĂ« modul software, i cili pĂ«rmban pĂ«rshkrimin e plotĂ« tĂ« ndĂ«rfaqes sĂ« kĂ«tij komponenti sipas kĂ«rkesave tĂ« standardit PROFINET. Pas kĂ«saj, kĂ«ta module pĂ«rdoren pĂ«r shkĂ«mbimin e tĂ« dhĂ«nave me pajisjet.Â
Protokolli Ethernet POWERLINK i kompanisë B&R
Protokolli Powerlink u zhvillua nga kompania austriake B&R nĂ« fillim tĂ« viteve 2000. Ky Ă«shtĂ« njĂ« tjetĂ«r realizim i protokollit nĂ« kohĂ« reale mbi standardin Ethernet. Specifikimi i protokollit Ă«shtĂ« i disponueshĂ«m dhe shpĂ«rndahet lirshĂ«m.Â
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.
NĂ« fazĂ«n izokronike, kontroleri qĂ« pyet dĂ«rgon rregullisht kĂ«rkesa pĂ«r çdo node nga i cili Ă«shtĂ« e nevojshme tĂ« merret tĂ« dhĂ«nat kritike.Â
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.
NĂ« pĂ«rveçim tĂ« funksioneve standarde tĂ« protokolleve HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementon transfertĂ«n e tĂ« dhĂ«nave kritikĂ« pĂ«r kohĂ«n e dorĂ«zimit midis kontrolluesit tĂ« pyetjes dhe pajisjeve tĂ« hyrjes/daljes. Transferimi i tĂ« dhĂ«nave jo kritikĂ« pĂ«r kohĂ«n sigurohet nga paketat TCP, ndĂ«rsa dorĂ«zimi kritik pĂ«r kohĂ«n i tĂ« dhĂ«nave ciklike tĂ« kontrollit shkon pĂ«rmes protokollit UDP.Â
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:
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:
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:
Siç duket në diagram, PRONET dhe PROFIBUS nga Siemens kanë pozita dominuese.
ĂshtĂ« interesante se 6 vjet mĂ« parĂ« .
NĂ« tabelĂ«n mĂ« poshtĂ« janĂ« pĂ«rmbledhur tĂ« dhĂ«na pĂ«r protokollet e pĂ«rshkruara tĂ« shkĂ«mbimit. Disa parametra, siç janĂ« performanca, shprehen me terma abstraktĂ«: tĂ« lartĂ« / tĂ« ulĂ«t. EkivalentĂ«t numerikĂ« mund tĂ« gjenden nĂ« artikujt qĂ« analizojnĂ« performancĂ«n.Â
 | EtherCAT | POWERLINK | PROFINET | EtherNet/IP | ModbusTCP |
Niveli fizik | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX | 100/1000 BASE-TX |
Niveli i transferimit të të dhënave | Niveli i kanalit (Ethernet-korniza) | Niveli i kanalit (Ethernet-korniza) | Niveli i kanalit (Ethernet-korniza), Niveli/rreth (TCP/IP) | Niveli/rreth (TCP/IP) | Niveli/rreth (TCP/IP) |
Mbështetje për kohë reale | Po. | Po. | Po. | Po. | Jo |
Performanca | E lartë | E lartë | IRT - e lartë, RT - e mesme | E mesme | E ulët |
Gjatësia e kabllit ndërmjet nyjeve | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Fazat e transferimit | Jo | Izokronike + asinhrone | IRT - izokronike + asinhrone, RT - asinhrone | Jo | Jo |
Numri i nyjeve | 65535 | 240 | Kufizimi i rrjetit TCP/IP | Kufizimi i rrjetit TCP/IP | Kufizimi i rrjetit TCP/IP |
Lejimi i kolizionit | Topologjia ring | Sinkronizimi ciklik, fazat e transmetimit | Topologjia ring, fazat e transmetimit | Swiçet, topologjia 'yll' | Swiçet, topologjia 'yll' |
Zëvendësimi në të nxehtë | Jo | Po. | Po. | Po. | Në varësi të zbatimit |
Kostoja e pajisjeve | E ulët | E ulët | E lartë | E mesme | E ulët |
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 cilĂ«t protokolle keni punuar dhe ku i keni aplikuar? Ndani pĂ«rvojĂ«n tuaj nĂ« komentet. đ
Burimi: habr.com
