folëm për mënyrën se si funksionojnë autobusët dhe protokollet në automatizimin industrial. Këtë herë do të fokusohemi në zgjidhjet moderne të punës: do të shikojmë se cilat protokolle përdoren në sistemet në mbarë botën. Le të shqyrtojmë teknologjitë e kompanive gjermane Beckhoff dhe Siemens, austriake B&R, American Rockwell Automation dhe Fastwel ruse. Ne gjithashtu do të studiojmë zgjidhje universale që nuk janë të lidhura me një prodhues specifik, si EtherCAT dhe CAN.
Në fund të artikullit do të ketë një tabelë krahasimi me karakteristikat e protokolleve EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP dhe ModbusTCP.
Ne nuk kemi përfshirë protokollet PRP, HSR, OPC UA dhe të tjera në rishikim, sepse Tashmë ka artikuj të shkëlqyer për to në Habré nga kolegët tanë inxhinierë që po zhvillojnë sisteme të automatizimit industrial. Për shembull, и .
Së pari, le të përcaktojmë terminologjinë: Ethernet industrial = rrjet industrial, Fieldbus = autobus në terren. Në automatizimin industrial rus, ka konfuzion në lidhje me autobusin në terren dhe rrjetin industrial të nivelit më të ulët. Shpesh këto terma kombinohen në një koncept të vetëm, të paqartë të quajtur "niveli i ulët", i cili quhet edhe autobus në terren dhe autobus nënnivel, megjithëse mund të mos jetë fare autobus.
Pse kaq?Ky konfuzion ka shumë të ngjarë për faktin se në shumë kontrollues modernë, lidhja e moduleve I/O shpesh zbatohet duke përdorur një plan të pasëm ose një autobus fizik. Kjo do të thotë, disa kontakte dhe lidhës autobusi përdoren për të kombinuar disa module në një njësi të vetme. Por nyje të tilla, nga ana tjetër, mund të ndërlidhen si nga një rrjet industrial ashtu edhe nga një autobus në terren. Në terminologjinë perëndimore ekziston një ndarje e qartë: një rrjet është një rrjet, një autobus është një autobus. I pari përcaktohet me termin Ethernet industrial, i dyti nga Fieldbus. Artikulli propozon të përdoret përkatësisht termi "rrjet industrial" dhe termi "fushë autobus" për këto koncepte.
Standardi i rrjetit industrial EtherCAT, i zhvilluar nga Beckhoff
Protokolli EtherCAT dhe rrjeti industrial është ndoshta një nga metodat më të shpejta të transmetimit të të dhënave në sistemet e automatizimit sot. Rrjeti EtherCAT përdoret me sukses në sistemet e automatizimit të shpërndarë, ku nyjet ndërvepruese janë të ndara në distanca të gjata.
Protokolli EtherCAT përdor korniza standarde Ethernet për të transmetuar telegramet e tij, kështu që ai mbetet i pajtueshëm me çdo pajisje standarde Ethernet dhe, në fakt, marrja dhe transmetimi i të dhënave mund të organizohet në çdo kontrollues Ethernet, me kusht që të disponohet softueri i duhur.
Kontrollues Beckhoff me një grup modulesh I/O. Burimi:
Specifikimi i protokollit është i hapur dhe i disponueshëm, por vetëm brenda kornizës së shoqatës së zhvillimit - EtherCAT Technology Group.
Ja se si funksionon EtherCAT (spektakli është magjepsës, si loja Zuma Inca):
Shpejtësia e lartë e shkëmbimit në këtë protokoll - dhe mund të flasim për njësi mikrosekonda - realizohet për faktin se zhvilluesit refuzuan të shkëmbejnë duke përdorur telegrame të dërguara drejtpërdrejt në një pajisje specifike. Në vend të kësaj, një telegram dërgohet në rrjetin EtherCAT, i adresuar të gjitha pajisjeve në të njëjtën kohë, secila prej nyjeve skllav për mbledhjen dhe transmetimin e informacionit (ato shpesh quhen gjithashtu OSO - pajisje komunikimi objekti) merr prej tij "në fluturim". të dhënat që i janë destinuar dhe fut në një telegram të dhënat që është gati të sigurojë për shkëmbim. Telegrami dërgohet më pas në nyjen tjetër skllav, ku ndodh i njëjti operacion. Duke kaluar nëpër të gjitha pajisjet e kontrollit, telegrami kthehet në kontrolluesin kryesor, i cili, bazuar në të dhënat e marra nga pajisjet skllav, zbaton logjikën e kontrollit, duke ndërvepruar përsëri përmes telegramit me nyjet skllav, të cilat lëshojnë një sinjal kontrolli për pajisjet.
Një rrjet EtherCAT mund të ketë çdo topologji, por në thelb ai do të jetë gjithmonë një unazë - për shkak të përdorimit të modalitetit full duplex dhe dy lidhësve Ethernet. Në këtë mënyrë, telegrami gjithmonë do të transmetohet në mënyrë sekuenciale në çdo pajisje në autobus.
Paraqitja skematike e një rrjeti Ethercat me nyje të shumta. Burimi:
Nga rruga, specifikimi EtherCAT nuk përmban kufizime në shtresën fizike 100Base-TX, kështu që zbatimi i protokollit është i mundur bazuar në linja gigabit dhe optike.
Rrjetet e hapura industriale dhe standardet PROFIBUS/NET nga Siemens
Koncerni gjerman Siemens ka qenë prej kohësh i njohur për kontrollorët e tij logjikë të programueshëm (PLC), të cilët përdoren në të gjithë botën.
Shkëmbimi i të dhënave ndërmjet nyjeve të një sistemi të automatizuar të kontrolluar nga pajisjet Siemens kryhet si nëpërmjet një autobusi në terren të quajtur PROFIBUS ashtu edhe në rrjetin industrial PROFINET.
Autobusi PROFIBUS përdor një kabllo speciale me dy bërthama me lidhës DB-9. Siemens e ka në vjollcë, por të tjerat i kemi parë në praktikë :). Për të lidhur nyje të shumta, një lidhës mund të lidhë dy kabllo. Gjithashtu ka një ndërprerës për rezistencën e terminalit. Rezistenca e terminalit duhet të ndizet në pajisjet fundore të rrjetit, duke treguar kështu që kjo është pajisja e parë ose e fundit, dhe pas saj nuk ka asgjë, vetëm errësirë dhe zbrazëti (të gjitha rs485 funksionojnë kështu). Nëse ndizni një rezistencë në lidhësin e ndërmjetëm, seksioni pas tij do të fiket.
Kabllo PROFIBUS me lidhëse lidhëse. Burimi:
Rrjeti PROFINET përdor një kabllo analoge të çiftit të përdredhur, zakonisht me lidhës RJ-45, kablloja është me ngjyrë jeshile. Nëse topologjia e PROFIBUS është një autobus, atëherë topologjia e rrjetit PROFINET mund të jetë çdo gjë: një unazë, një yll, një pemë ose gjithçka e kombinuar.
Kontrollues Siemens me kabllo PROFINET të lidhur. Burimi: w3.siemens.com
Ekzistojnë disa protokolle komunikimi në autobusin PROFIBUS dhe në rrjetin PROFINET.
Për PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - zbatimi i këtij protokolli përfshin komunikimin me pajisjet skllav në distancë; në rastin e PROFINET, ky protokoll korrespondon me protokollin PROFINET IO.
- PROFIBUS PA është në thelb i njëjtë me PROFIBUS DP, përdoret vetëm për versionet rezistente ndaj shpërthimit të transmetimit të të dhënave dhe furnizimit me energji elektrike (analoge me PROFIBUS DP me veti fizike të ndryshme). Për PROFINET, një protokoll kundër shpërthimit i ngjashëm me PROFIBUS nuk ekziston ende.
- PROFIBUS FMS - projektuar për shkëmbimin e të dhënave me sisteme nga prodhues të tjerë që nuk mund të përdorin PROFIBUS DP. Analogu PROFIBUS FMS në rrjetin PROFINET është protokolli PROFINET CBA.
Për PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Protokolli PROFINET IO ndahet në disa klasa:
- PROFINET NRT (në kohë jo reale) - përdoret në aplikacione ku parametrat e kohës nuk janë kritike. Ai përdor protokollin e transferimit të të dhënave Ethernet TCP/IP si dhe UDP/IP.
- PROFINET RT (në kohë reale) - këtu shkëmbimi i të dhënave I/O zbatohet duke përdorur kornizat Ethernet, por të dhënat diagnostikuese dhe komunikuese ende transferohen përmes UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Ky protokoll u zhvillua posaçërisht për aplikacionet e kontrollit të lëvizjes dhe përfshin një fazë izokrone të transferimit të të dhënave.
Për sa i përket zbatimit të protokollit të vështirë PROFINET IRT në kohë reale, për komunikimet me pajisje të largëta dallon dy kanale shkëmbimi: izokron dhe asinkron. Një kanal izokron me një gjatësi fikse të ciklit të shkëmbimit përdor sinkronizimin e orës dhe transmeton të dhëna kritike për kohën; telegramet e nivelit të dytë përdoren për transmetim. Kohëzgjatja e transmetimit në një kanal izokron nuk kalon 1 milisekondë.
Kanali asinkron transmeton të ashtuquajturat të dhëna në kohë reale, të cilat gjithashtu adresohen përmes një adrese MAC. Për më tepër, informacione të ndryshme diagnostikuese dhe ndihmëse transmetohen përmes TCP/IP. As të dhënat në kohë reale, aq më pak informacionet e tjera, natyrisht, nuk mund të ndërpresin ciklin izokron.
Grupi i zgjeruar i funksioneve PROFINET IO nuk është i nevojshëm për çdo sistem automatizimi industrial, kështu që ky protokoll është i shkallëzuar për një projekt specifik, duke marrë parasysh klasat e pajtueshmërisë ose klasat e konformitetit: CC-A, CC-B, CC-CC. Klasat e pajtueshmërisë ju lejojnë të zgjidhni pajisjet në terren dhe komponentët e shtyllës kurrizore me funksionalitetin minimal të kërkuar.
Burimi:
Protokolli i dytë i shkëmbimit në rrjetin PROFINET - PROFINET CBA - përdoret për të organizuar komunikimin industrial ndërmjet pajisjeve nga prodhues të ndryshëm. Njësia kryesore e prodhimit në sistemet SNK është një entitet i caktuar i quajtur komponent. Ky komponent është zakonisht një koleksion i pjesëve mekanike, elektrike dhe elektronike të një pajisjeje ose instalimi, si dhe softuer aplikimi përkatës. Për secilin komponent, zgjidhet një modul softuerësh që përmban një përshkrim të plotë të ndërfaqes së këtij komponenti në përputhje me kërkesat e standardit PROFINET. Pas së cilës këto module softuerike përdoren për të shkëmbyer të dhëna me pajisjet.
Protokolli B&R Ethernet POWERLINK
Protokolli Powerlink u zhvillua nga kompania austriake B&R në fillim të viteve 2000. Ky është një tjetër zbatim i një protokolli në kohë reale në krye të standardit Ethernet. Specifikimi i protokollit është i disponueshëm dhe shpërndahet lirisht.
Teknologjia Powerlink përdor të ashtuquajturin mekanizëm sondazhi të përzier, kur i gjithë ndërveprimi ndërmjet pajisjeve ndahet në disa faza. Të dhënat veçanërisht kritike transmetohen në fazën e shkëmbimit izokron, për të cilën është konfiguruar koha e kërkuar e përgjigjes; të dhënat e mbetura do të transmetohen, kurdoherë që është e mundur, në fazën asinkrone.
Kontrollues B&R me një grup modulesh I/O. Burimi: br-automation.com
Protokolli fillimisht u zbatua në krye të shtresës fizike 100Base-TX, por më vonë u zhvillua një zbatim gigabit.
Protokolli Powerlink përdor një mekanizëm të planifikimit të komunikimit. Një shënues ose mesazh kontrolli i caktuar dërgohet në rrjet, me ndihmën e të cilit përcaktohet se cila nga pajisjet aktualisht ka leje për të shkëmbyer të dhëna. Vetëm një pajisje mund të ketë qasje në shkëmbim në të njëjtën kohë.
Paraqitja skematike e një rrjeti Ethernet POWERLINK me nyje të shumta.
Në fazën izokrone, kontrolluesi i sondazhit dërgon në mënyrë sekuenciale një kërkesë në secilën nyje nga e cila duhet të marrë të dhëna kritike.
Faza izokrone kryhet, siç është përmendur tashmë, me një kohë cikli të rregullueshme. Në fazën asinkrone të shkëmbimit, përdoret grumbulli i protokollit IP, kontrolluesi kërkon të dhëna jo kritike nga të gjitha nyjet, të cilat dërgojnë një përgjigje ndërsa fitojnë akses për të transmetuar në rrjet. Raporti kohor ndërmjet fazave izokrone dhe asinkrone mund të rregullohet manualisht.
Rockwell Automation Ethernet/IP Protocol
Protokolli EtherNet/IP u zhvillua me pjesëmarrjen aktive të kompanisë amerikane Rockwell Automation në vitin 2000. Ai përdor grupin IP të TCP dhe UDP dhe e zgjeron atë për aplikacionet e automatizimit industrial. Pjesa e dytë e emrit, në kundërshtim me besimin popullor, nuk nënkupton Protokollin e Internetit, por Protokollin Industrial. UDP IP përdor grumbullin e komunikimit CIP (Common Interface Protocol), i cili përdoret gjithashtu në rrjetet ControlNet/DeviceNet dhe zbatohet në krye të TCP/IP.
Specifikimi EtherNet/IP është i disponueshëm publikisht dhe i disponueshëm falas. Topologjia e rrjetit Ethernet/IP mund të jetë arbitrare dhe të përfshijë unazën, yllin, pemën ose autobusin.
Përveç funksioneve standarde të protokolleve HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, ai zbaton transferimin e të dhënave kritike për kohën midis kontrolluesit të votimit dhe pajisjeve I/O. Transmetimi i të dhënave jo kritike për kohën sigurohet nga paketat TCP, dhe shpërndarja kritike për kohën e të dhënave të kontrollit ciklik kryhet nëpërmjet protokollit UDP.
Për të sinkronizuar kohën në sistemet e shpërndara, EtherNet/IP përdor protokollin CIPsync, i cili është një zgjatim i protokollit të komunikimit CIP.
Paraqitja skematike e një rrjeti Ethernet/IP me disa nyje dhe lidhje të pajisjeve Modbus. Burimi:
Për të thjeshtuar konfigurimin e rrjetit EtherNet/IP, shumica e pajisjeve standarde të automatizimit vijnë me skedarë konfigurimi të paracaktuar.
Zbatimi i protokollit FBUS në Fastwel
Ne menduam për një kohë të gjatë nëse do të përfshinim kompaninë ruse Fastwel në këtë listë me zbatimin e saj të brendshëm të protokollit industrial FBUS, por më pas vendosëm të shkruanim disa paragrafë për një kuptim më të mirë të realiteteve të zëvendësimit të importit.
Ekzistojnë dy zbatime fizike të FBUS. Njëri prej tyre është një autobus në të cilin protokolli FBUS funksionon në krye të standardit RS485. Përveç kësaj, ekziston një zbatim i FBUS në një rrjet industrial Ethernet.
FBUS vështirë se mund të quhet një protokoll me shpejtësi të lartë; koha e përgjigjes varet fuqishëm nga numri i moduleve I/O në autobus dhe nga parametrat e shkëmbimit; zakonisht varion nga 0,5 në 10 milisekonda. Një nyje skllav FBUS mund të përmbajë vetëm 64 module I/O. Për një autobus në terren, gjatësia e kabllit nuk mund të kalojë 1 metër, kështu që nuk po flasim për sisteme të shpërndara. Ose më mirë, po, por vetëm kur përdoret një rrjet industrial FBUS mbi TCP/IP, që nënkupton një rritje të kohës së votimit disa herë. Kordonët zgjatues të autobusit mund të përdoren për të lidhur module, gjë që lejon vendosjen e përshtatshme të moduleve në kabinetin e automatizimit.
Kontrollues Fastwel me module të lidhura I/O. Burimi:
Total: si përdoret e gjithë kjo në praktikë në sistemet e automatizuara të kontrollit të procesit
Natyrisht, shumëllojshmëria e llojeve të protokolleve moderne të transferimit të të dhënave industriale është shumë më e madhe se sa përshkruam në këtë artikull. Disa janë të lidhura me një prodhues specifik, disa, përkundrazi, janë universale. Kur zhvillon sisteme të automatizuara të kontrollit të procesit (APCS), inxhinieri zgjedh protokollet optimale, duke marrë parasysh detyrat dhe kufizimet specifike (teknike dhe buxhetore).
Nëse flasim për përhapjen e një protokolli të veçantë shkëmbimi, mund të japim një diagram të kompanisë Rrjetet HMS AB, i cili ilustron pjesët e tregut të teknologjive të ndryshme të shkëmbimit në rrjetet industriale.
Burimi:
Siç mund të shihet në diagram, PRONET dhe PROFIBUS nga Siemens zënë pozitat drejtuese.
Është interesante, 6 vjet më parë .
Tabela e mëposhtme përmban të dhëna përmbledhëse mbi protokollet e përshkruara të shkëmbimit. Disa parametra, për shembull, performanca, shprehen në terma abstrakte: i lartë / i ulët. Ekuivalentët numerikë mund të gjenden në artikujt e analizës së performancës.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Shtresa fizike
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Niveli i të dhënave
|
Kanal (korniza Ethernet)
|
Kanal (korniza Ethernet)
|
Kanal (korniza Ethernet), Rrjeti/transporti (TCP/IP)
|
Rrjeti/Transport (TCP/IP)
|
Rrjeti/Transport (TCP/IP)
|
|
Mbështetje në kohë reale
|
Po
|
Po
|
Po
|
Po
|
Jo
|
|
prodhimtari
|
I lartë
|
I lartë
|
IRT - e lartë, RT - e mesme
|
Mesatare
|
ulët
|
|
Gjatësia e kabllit ndërmjet nyjeve
|
100m
|
100 m/2 km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Fazat e transferimit
|
Jo
|
Izokron + asinkron
|
IRT – izokron + asinkron, RT – asinkron
|
Jo
|
Jo
|
|
Numri i nyjeve
|
65535
|
240
|
Kufizimi i rrjetit TCP/IP
|
Kufizimi i rrjetit TCP/IP
|
Kufizimi i rrjetit TCP/IP
|
|
Rezolucioni i përplasjes
|
Topologjia e unazave
|
Sinkronizimi i orës, fazat e transmetimit
|
Topologjia e unazës, fazat e transmetimit
|
Çelësat, topologjia e yjeve
|
Çelësat, topologjia e yjeve
|
|
Shkëmbim i nxehtë
|
Jo
|
Po
|
Po
|
Po
|
Në varësi të zbatimit
|
|
Kostoja e pajisjeve
|
ulët
|
ulët
|
I lartë
|
Mesatare
|
ulët
|
Fushat e aplikimit të protokolleve të përshkruara të shkëmbimit, autobusëve në terren dhe rrjeteve industriale janë shumë të ndryshme. Nga industria kimike dhe automobilistike tek teknologjia e hapësirës ajrore dhe prodhimi i elektronikës. Protokollet e shkëmbimit me shpejtësi të lartë janë të kërkuara në sistemet e pozicionimit në kohë reale për pajisje të ndryshme dhe në robotikë.
Me çfarë protokolle keni punuar dhe ku i keni zbatuar ato? Ndani përvojën tuaj në komente. 🙂
Burimi: www.habr.com