ne folĂ«m pĂ«r se si funksionojnĂ« autobuzĂ«t dhe protokollet nĂ« automatizimin industrial. KĂ«tĂ« herĂ« do tĂ« fokusohemi nĂ« zgjidhjet moderne tĂ« punĂ«s: do tĂ« shqyrtojmĂ« se cilat protokolle pĂ«rdoren nĂ« sistemet nĂ« mbarĂ« botĂ«n. Do tĂ« shqyrtojmĂ« teknologjitĂ« e kompanive gjermane Beckhoff dhe Siemens, austrike B&R, amerikane Rockwell Automation dhe ruse Fastwel. Gjithashtu do tĂ« studiojmĂ« zgjidhjet universale qĂ« nuk lidhen me njĂ« prodhues tĂ« caktuar, si 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 përfshimë në shqyrtim protokollet PRP, HSR, OPC UA dhe të tjera, pasi në Habrë tashmë ka artikuj të shkëlqyer nga kolegët tanë inxhinierë që merren me zhvillimin e sistemeve të automatizimit industrial. Për shembull, dhe .
Së pari, le të përcaktojmë terminologjinë: Industrial Ethernet = rrjeti industrial, Fieldbus = autobuzi i fushës. Në automatizimin industrial rus ndodhin konfuzione në terma që kanë të bëjnë me autobuzin e fushës dhe rrjetin industrial të nivelit të ulët. Shpesh këto terma bashkohen në një koncept të paqartë "niveli i ulët", i cili quhet edhe autobuz i fushës, edhe autobuz i nivelit të ulët, edhe pse ndonjëherë mund të mos jetë aspak autobus.
Pse kështu?Kjo konfuzion ndoshta lidhet me faktin se në shumë kontrollues modernë, lidhja e moduleve të hyrjes/daljes shpesh realizohet përmes një paneli bashkues (angl. backplane) ose një autobuzi fizik. Kështu, përdoren disa kontakte dhe konektorë autobusësh për të bashkuar disa module në një njësi të vetme. Por këto njësi gjithashtu mund të lidhen me njëra-tjetrën si përmes një rrjeti industrial ashtu dhe një autobuzi fushor. Në terminologjinë perëndimore ka një ndarje të qartë: rrjeti është rrjet, autobuzi është autobus. E para shënohet me termin Industrial Ethernet, e dyta - Fieldbus. Në këtë artikull, për këto koncepte propozohet përdorimi i termit "rrjet industrial" dhe termit "autobuz fushor" përkatësisht.
Standardi i rrjetit industrial EtherCAT, zhvillimi i kompanisë Beckhoff
Protokoli dhe rrjeti industrial EtherCAT është ndoshta një nga mënyrat më të shpejta për të transferuar të dhëna në sistemet e automatizimit sot. Rrjeti EtherCAT përdoret me sukses në sistemet e automatizimit të shpërndara, ku njësitë që bashkëpunojnë janë të shpërndara në distanca të mëdha.
Protokoli EtherCAT përdor frame të standardit Ethernet për të transferuar telegramet e tij, prandaj mbahet përputhshmëria me çdo pajisje standarde Ethernet dhe, në thelb, pranimi dhe dërgimi i të dhënave mund të organizohet në çdo kontrollues Ethernet, nëse ekziston softueri përkatës.
Kontrolluesi Beckhoff me një grup module të hyrjes/daljes. Burimi:
Specifikimi i protokolit është i hapur dhe i disponueshëm, por vetëm në kuadër të shoqatës së zhvillimit - EtherCAT Technology Group.
Ja se si funksionon EtherCAT (një spektakël mahnitës, si loja Zuma Inca):
Shpejtësia e lartë e shkëmbimit në këtë protokoll - ku është fjala për njësi mikrosekondash - realizohet falë faktit se zhvilluesit hoqën dorë nga shkëmbimi duke dërguar telegramet drejtpërdrejt në pajisje të caktuara. Në vend të kësaj, në rrjetin EtherCAT dërgohet një telegram i vetëm, i adresuar në të gjitha pajisjet njëkohësisht; çdo njësi e mbikëqyrjes dhe transferimit të informacionit (ato shpesh quhen UCO - pajisje lidhjeje me objektin) merr "në flutur" të dhënat që i përkasin atij dhe e vendos në telegram të dhënat që është e gatshme të ofrojë për shkëmbim. Pas kësaj, telegrami dërgohet në njësinë tjetër në vargun e nënshtruar, ku ndodh e njëjta operacion. Pas kalimit nëpër të gjitha UCO-të, telegrami kthehet te kontrolluesi kryesor, i cili mbi bazën e të dhënave të marra nga pajisjet nënshtruese, realizon logjikën e menaxhimit, sërish duke bashkëpunuar përmes telegramit me njësitë nënshtruese, të cilat japin një sinjal menaxhues në pajisje.
Rrjeti EtherCAT mund tĂ« ketĂ« çdo topologji, por nĂ« thelb do tĂ« jetĂ« gjithmonĂ« njĂ« unazĂ« â pĂ«r shkak tĂ« pĂ«rdorimit tĂ« modit me dyfishim dhe dy konektorĂ«ve Ethernet. KĂ«shtu, telegrami gjithmonĂ« do tĂ« transferohet vazhdimisht nĂ« çdo pajisje nĂ« autobus.
Një përfaqësim skematik i rrjetit EtherCAT me disa njësitë. Burimi:
Meqë ra fjala, specifikimi EtherCAT nuk përmban kufizime në nivelin fizik 100Base-TX, prandaj realizimi i protokollit është i mundur mbi baza të linjave gigabit dhe optike.
Rrjetet dhe standardet industriale të hapura PROFIBUS/NET të kompanisë Siemens
Kompania gjermane Siemens është e njohur prej kohësh për kontrolluesit e saj logjikë të programueshëm (PLC), të cilët përdoren në të gjithë botën.
Shkëmbimi i të dhënave midis nyjeve të sistemit të automatizimit nën drejtimin e pajisjeve Siemens realizohet si përmes autobuzit të fushës, i njohur si PROFIBUS, ashtu edhe në rrjetin industrial PROFINET.
Autobuzi PROFIBUS përdor një kabllo dy-dielëshe speciale me lidhës DB-9. Tek Siemens është ngjyrë vjollcë, por në praktikë kemi hasur edhe të tjera :). Për lidhjen e disa nyjeve, lidhësi mund të lidhë dy kabllo. Gjithashtu, ai ka një komutator për rezistori terminal. Rezistori terminal duhet të jetë i aktivizuar në pajisjet e fundit të rrjetit, në mënyrë që të tregohet se kjo është pajisja e parë ose e fundit, dhe pas saj nuk ka asgjë, vetëm errësirë dhe boshllëk (të gjitha rs485 funksionojnë kështu). Nëse në lidhësin ndërmjetës aktivizohet rezistori, atëherë segmenti që ndjek pas tij do të jetë i deaktivizuar.
Kabllo PROFIBUS me lidhës. Burimi:
Në rrjetin PROFINET përdoret një çift i fijeve, zakonisht me lidhës RJ-45, kabllo është e ngjyrës jeshile. Nëse topologjia PROFIBUS është autobuz, atëherë topologjia e rrjetit PROFINET mund të paraqesë çfarëdo: madje dhe unazë, yll, pemë, ose gjithçka në një.
Kontrolluesi Siemens me kabllon PROFINET të lidhur. Burimi: w3.siemens.com
Ekzistojnë disa protokolle për shkëmbimin përmes autobuzit PROFIBUS dhe në rrjetin PROFINET.
PĂ«r PROFIBUS:
- PROFIBUS DP â realizimi i kĂ«tij protokolli nĂ«nkupton lidhjen me pajisje nĂ«nordhĂ«s tĂ« largĂ«ta, nĂ« rastin e PROFINET, ky protokoll pĂ«rputhet me protokollin PROFINET IO.
- PROFIBUS PA â nĂ« thelb Ă«shtĂ« e njĂ«jta gjĂ« si PROFIBUS DP, vetĂ«m se pĂ«rdoret pĂ«r transmetimin e tĂ« dhĂ«nave dhe energjisĂ« nĂ« ambiente tĂ« sigurta nga shpĂ«rthimi (analog me PROFIBUS DP me karakteristika fizike tĂ« ndryshme). PĂ«r PROFINET nuk ekziston ende njĂ« protokoll tĂ« sigurt nga shpĂ«rthimi sipas analogjisĂ« me PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS â Ă«shtĂ« e destinuar pĂ«r shkĂ«mbimin e tĂ« dhĂ«nave me sisteme tĂ« prodhuesve tĂ« tjerĂ« qĂ« nuk mund tĂ« pĂ«rdorin PROFIBUS DP. NjĂ« homolog i 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 kohĂ« reale) â pĂ«rdoret nĂ« aplikacione ku parametrat kohorĂ« nuk janĂ« kritikĂ«. Ai pĂ«rdor protokollin e transmetimit tĂ« tĂ« dhĂ«nave Ethernet TCP/IP, si dhe UDP/IP.
- PROFINET RT (koha reale) â kĂ«tu shkĂ«mbimi i tĂ« dhĂ«nave tĂ« hyrjes/daljes realizohet pĂ«rmes kornizave Ethernet, por tĂ« dhĂ«nat diagnostike dhe tĂ« dhĂ«nat e komunikimit ende dĂ«rgohen pĂ«rmes UDP/IP.Â
- PROFINET IRT (koha reale izokrone) â ky protokoll Ă«shtĂ« dizajnuar nĂ« mĂ«nyrĂ« specifike pĂ«r aplikacionet e menaxhimit tĂ« lĂ«vizjes dhe pĂ«rfshin njĂ« fazĂ« izokrone tĂ« transmetimit tĂ« tĂ« dhĂ«nave.
Sa i përket realizimit të protokollit të kohës reale të fortë PROFINET IRT, për komunikimet me pajisje të largëta, ai identifikon dy kanale shkëmbimi: izokron dhe asinkron. Kanali izokron me një gjatësi cikli të fiksuar për shkëmbim përdor sinkronizimin taktik dhe dërgon të dhëna të rëndësishme për kohën, përdoren telegramet e nivelit të dytë. Koha e transmetimit në kanalin izokron nuk kalon 1 milisekondë.
Në kanalin asinkron dërgohen të dhëna të quajtura real-time, të cilat gjithashtu adresohen përmes adresës MAC. Për më tepër, dërgohen informacione diagnostike dhe ndihmese mbi TCP/IP. As të dhënat real-time, as të tjera informacione nuk mund të ndërhyjnë, sigurisht, në ciklin izokron.
Grupi i zgjeruar i funksioneve PROFINET IO nuk Ă«shtĂ« i nevojshĂ«m pĂ«r çdo sistem tĂ« automatizimit industrial, prandaj ky protokoll personalizohet pĂ«r projektin specifik, duke marrĂ« parasysh klasat e pĂ«rputhshmĂ«risĂ« ose klasat e pĂ«rdorimit (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Klasat e pĂ«rputhshmĂ«risĂ« lejojnĂ« zgjedhjen e pajisjeve tĂ« fushĂ«s dhe komponenteve kryesore me funksionalitetin minimal tĂ« nevojshĂ«m.Â
Burimi:
Protokolli tjetĂ«r 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«sia kryesore e prodhimit nĂ« sistemet CBA Ă«shtĂ« njĂ« entitet i njohur, i cili quhet komponent. Ky komponent zakonisht pĂ«rbĂ«het nga njĂ« kombinim i pjesĂ«s mekanike, elektrike dhe elektronike tĂ« pajisjes ose instalimit, si dhe softuerit aplikues pĂ«rkatĂ«s. PĂ«r çdo komponent zgjidhet njĂ« modul programimi, i cili pĂ«rmban njĂ« pĂ«rshkrim tĂ« plotĂ« tĂ« interfesit tĂ« kĂ«tij komponenti sipas kĂ«rkesave tĂ« standartit PROFINET. Pas kĂ«saj, kĂ«to modulet programimi pĂ«rdoren pĂ«r shkĂ«mbimin e tĂ« dhĂ«nave me pajisjet.Â
Protokolli Ethernet POWERLINK i kompanisë B&R
Protokolli Powerlink Ă«shtĂ« zhvilluar nga kompania austriake B&R nĂ« fillim tĂ« viteve 2000. Ky Ă«shtĂ« njĂ« implementim tjetĂ«r i protokollit nĂ« kohĂ« reale mbi standardin Ethernet. Specifikimi i protokollit Ă«shtĂ« nĂ« dispozicion dhe shpĂ«rndahet lirshĂ«m.Â
Teknologjia Powerlink përdor mekanizmin e ashtuquajtur të pyetjes së përzier, kur gjithë interaksioni ndërmjet pajisjeve ndahet në disa faza. Të dhënat veçanërisht kritike transmetohen në fazën izokronike të shkëmbimit, për të cilën konfigurohet koha e kërkuar për përgjigje; të tjerat, do të transmetohen sipas mundësive në fazën asinhronike.
Kontrolluesi B&R me një grup modulash hyrëse-dalëse. Burimi: br-automation.com
Fillimisht, protokolli ishte implementuar mbi nivelin fizik 100Base-TX, por më vonë u zhvillua dhe një realizim gigabit.
Në protokollin Powerlink, përdoret një mekanizëm planifikimi të shkëmbimit. Në rrjet dërgohet një ndihmës ose mesazh kontrolli, me anë të tij përcaktohet se cila nga pajisjet ka në atë moment lejen për shkëmbim të të dhënave. Në çdo moment kohor, akses në shkëmbim mund të ketë vetëm një pajisje.
Paraqitja skematike e rrjetit Ethernet POWERLINK me disa nyje.
NĂ« fazĂ«n izokronike, kontrolluesi pyet secilĂ«n nyje nĂ« radhĂ«, nga e cila Ă«shtĂ« e nevojshme tĂ« merren tĂ« dhĂ«na kritike.Â
Faza izokronike kryhet, siç u tha, me një cikël të konfiguruar. Në fazën asinhronike të shkëmbimit përdoret staku i protokollit IP, kontrolluesi pyet të dhënat jo kritike nga të gjitha nyjet, të cilat dërgojnë përgjigje sa më shpejt që të kenë akses në transmetim. Rapporti i kohës midis fazave izokronike dhe asinhronike mund të konfigurohet manualisht.
Protokolli Ethernet/IP i kompanisë Rockwell Automation
Protokolli EtherNet/IP është zhvilluar me angazhimin aktiv të kompanisë amerikane Rockwell Automation në vitin 2000. Ai përdor stek TCP dhe UDP IP, dhe e zgjeron atë për përdorim në automatikën industriale. Pjesa e dytë e emrit, përkundër mendimeve të zakonshme, nuk do të thotë Internet Protocol, por Industrial Protocol. UDP IP përdor stekun komunikues të protokollit CIP (Common Interface Protocol), i cili gjithashtu përdoret në rrjetet ControlNet/DeviceNet dhe realizohet mbi TCP/IP.
Specifikimi EtherNet/IP është publik dhe shpërndahet falas. Topologjia e rrjetit Ethernet/IP mund të jetë arbitrare dhe të përfshijë një unazë, yll, pemë ose bus.
NĂ« pĂ«rveçim tĂ« funksioneve standarde tĂ« protokolleve HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP realizon transmetimin e tĂ« dhĂ«nave qĂ« janĂ« kritike pĂ«r kohĂ«n e dorĂ«zimit midis kontrolluesit pyetĂ«s dhe pajisjeve hyrĂ«se/dalĂ«se. Transmetimi i tĂ« dhĂ«nave jo kritike pĂ«r kohĂ«n sigurohet nga paketat TCP, ndĂ«rsa dorĂ«zimi i tĂ« dhĂ«nave menaxhuese ciklike qĂ« janĂ« kritike pĂ«r kohĂ«n bĂ«het 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 komunikues CIP.
PĂ«rshkrimi 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 konfigurues të përcaktuar paraprakisht.
Implementimi i protokollit FBUS në kompaninë Fastwel
Kemi menduar gjatë nëse duhet të përfshijmë këtë kompani ruse, Fastwel, me realizimin e saj vendas të protokollit industrial FBUS, por më pas vendosëm të shkruajmë disa paragrafë për një kuptim më të mirë të realiteteve të zëvendësimit të importeve.
Ekzistojnë dy realizime fizike të FBUS. Njëra prej tyre është një bus, në të cilin protokolli FBUS punon mbi standardin RS485. Përveç kësaj, ka një realizim të FBUS në rrjetin industrial Ethernet.
FBUS është e vështirë për t'u quajtur një protokoll me shpejtësi të lartë; koha e përgjigjes varet shumë nga numri i modulave hyrëse-dalëse në bus dhe nga parametrat e shkëmbimit, zakonisht ajo variojnë midis 0,5-10 milisekonda. Një nyje nënshtruese FBUS mund të përmbajë vetëm 64 modula hyrëse-dalëse. Për busin fushor, gjatësia e kabllit nuk mund të kalojë 1 metër, prandaj nuk flasim për sisteme të shpërndara. Ndoshta flasim, por vetëm kur përdoret rrjeti industrial FBUS mbi TCP/IP, që do të thotë rritje të koha e pyetjes disa herë. Për të lidhur modulë mund të përdoren shtrirës të busit, çka lejon pozicionimin e modulateve brenda kabinetit të automatizimit.
Kontrolluesi Fastwel me modulet hyrëse-dalëse të lidhura. Burimi:
Përfundim: si përdoret e gjithë kjo në praktikë në ASU TP
Sigurisht, larmishmëria e protokolleve industriale moderne për transferimin e të dhënave është shumë më e madhe se sa kemi përshkruar në këtë artikull. Disa janë të lidhura me prodhues të caktuar, disa, nga ana tjetër, janë universale. Gjatë zhvillimit të sistemeve automatike të menaxhimit të proceseve teknologjike (ASU TP), inxhinieri zgjedh protokollet optimale, duke marrë parasysh detyrat dhe kufizimet specifike (teknike dhe buxhetore).
Nëse flasim për përhapjen e një protokolli të caktuar të komunikimit, mund të përmendim diagramën e kompanisë HMS Networks AB, e cila ilustron peshat e tregut të teknologjive të ndryshme të komunikimit në rrjetet industriale.
Burimi:
Siç duket në diagramë, PRONET dhe PROFIBUS nga Siemens zënë pozita udhëheqëse.
ĂshtĂ« interesante se 6 vjet mĂ« parĂ« .
NĂ« tabelĂ«n mĂ« poshtĂ« janĂ« grumbulluar tĂ« dhĂ«na pĂ«rkatĂ«se mbi protokollet e pĂ«rmendura tĂ« komunikimit. Disa parametra, pĂ«r shembull, performanca shprehet nĂ« terma abstraktĂ«: e lartĂ« / e ulĂ«t. EkivalentĂ«t numerikĂ« mund tĂ« gjenden nĂ« artikujt pĂ«r analizĂ«n e performancĂ«s.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 | Kanali (Ethernet-frame) | Kanali (Ethernet-frame) | Kanali (Ethernet-frame), Rrjeti / transporti (TCP/IP) | Rrjeti / transporti (TCP/IP) | Rrjeti / transporti (TCP/IP) |
Mbështetje për kohën reale | Po | Po | Po | Po | Jo |
Performanca | I lartĂ« | I lartĂ« | IRT â e lartĂ«, RT â mesatare | E mesme | I ulĂ«t |
Gjatësia e kabllit midis nyjave | 100m | 100m/2km | 100m | 100m | 100m |
Fazat e transferimit | Jo | Izokronike + asinkronike | IRT â izokronike + asinkronike, RT â asinkronike | Jo | Jo |
Numri i nyjeve | 65535 | 240 | Kufizimi i rrjetit TCP/IP | Kufizimi i rrjetit TCP/IP | Kufizimi i rrjetit TCP/IP |
Zgjidhja e kolizionave | Topologjia nĂ« rrathĂ« | Sinkronizimi i orĂ«s, fazat e transferimit | Topologjia nĂ« rrathĂ«, fazat e transferimit | Switches, topologjia âyllâ | Switches, topologjia âyllâ |
Ndërrimi i nxehtë | Jo | Po | Po | Po | Në varësi të implementimit |
Kostoja e pajisjeve | I ulët | I ulët | I lartë | E mesme | I ulët |
Fushat e aplikimit të protokolleve të përmendura të komunikimit, autobusëve të fushës dhe rrjeteve industriale janë shumë të ndryshme. Duke filluar nga industria kimike dhe automobilistike e deri te teknologjitë aerospatiale dhe prodhimi i elektronikës. Protokollet e shpejtë të komunikimit janë të kërkuara në sistemet e pozicionimit real-time të pajisjeve të ndryshme dhe në robotikë.
Dhe me cilat protokolle keni punuar dhe ku i keni pĂ«rdorur? Ndani pĂ«rvojĂ«n tuaj nĂ« komentet. đ
Burimi: habr.com
