Преглед савремених протокола у системима индустријске аутоматизације

У претходној публикацији разговарали смо о томе како функционишу магистрале и протоколи у индустријској аутоматизацији. Овог пута ћемо се фокусирати на савремена радна решења: погледаћемо који се протоколи користе у системима широм света. Хајде да размотримо технологије немачких компанија Бецкхофф и Сиеменс, аустријске Б&Р, америчке Роцквелл Аутоматион и руске Фаствел. Проучаваћемо и универзална решења која нису везана за одређеног произвођача, као што су ЕтхерЦАТ и ЦАН. 

На крају чланка биће упоредна табела са карактеристикама ЕтхерЦАТ, ПОВЕРЛИНК, ПРОФИНЕТ, ЕтхерНет/ИП и МодбусТЦП протокола.

У преглед нисмо укључили ПРП, ХСР, ОПЦ УА и друге протоколе, јер Већ постоје одлични чланци о њима на Хабреу од стране наших колега инжењера који развијају системе индустријске аутоматизације. На пример, „ПРП и ХСР „бешавни“ редундантни протоколи“ и „Гатеваис индустријских протокола за размену на Линук-у. Сами саставите".

Прво, хајде да дефинишемо терминологију: Индустријски Етхернет = индустријска мрежа, Фиелдбус = сабирница поља. У руској индустријској аутоматизацији постоји забуна у терминима који се односе на сабирницу поља и индустријску мрежу нижег нивоа. Често се ови термини комбинују у један, нејасан концепт који се назива „нижи ниво“, који се назива и сабирница поља и сабирница поднивоа, иако можда уопште није сабирница.

Зашто тако?Ова конфузија је највероватније последица чињенице да се у многим модерним контролерима повезивање И/О модула често спроводи помоћу задње плоче или физичке магистрале. То јест, одређени контакти и конектори магистрале се користе за комбиновање неколико модула у једну јединицу. Али такви чворови, заузврат, могу бити међусобно повезани и индустријском мрежом и теренском магистралом. У западној терминологији постоји јасна подела: мрежа је мрежа, магистрала је магистрала. Први је означен термином Индустриал Етхернет, а други Фиелдбус. У чланку се предлаже да се за ове концепте користе термин „индустријска мрежа” и термин „пољска магистрала”.

Стандард индустријске мреже ЕтхерЦАТ, који је развио Бецкхофф

ЕтхерЦАТ протокол и индустријска мрежа су можда један од најбржих метода преноса података у системима аутоматизације данашњице. ЕтхерЦАТ мрежа се успешно користи у дистрибуираним системима аутоматизације, где су чворови у интеракцији одвојени на великим удаљеностима.

ЕтхерЦАТ протокол користи стандардне Етхернет оквире за пренос својих телеграма, тако да остаје компатибилан са било којом стандардном Етхернет опремом и, у ствари, пријем и пренос података може бити организован на било ком Етхернет контролеру, под условом да је доступан одговарајући софтвер.

Бецкхофф контролер са сетом И/О модула. Извор: ввв.бецкхофф.де

Спецификација протокола је отворена и доступна, али само у оквиру развојне асоцијације - ЕтхерЦАТ Тецхнологи Гроуп.

Ево како функционише ЕтхерЦАТ (спектакл је очаравајући, попут игре Зума Инца):

Велика брзина размене у овом протоколу – а можемо говорити о јединицама микросекунди – остварена је због чињенице да су програмери одбили да размењују помоћу телеграма послатих директно на одређени уређај. Уместо тога, у ЕтхерЦАТ мрежу се шаље један телеграм, адресиран на све уређаје у исто време, сваки од подређених чворова за прикупљање и преношење информација (они се често називају и ОСО - објектни комуникациони уређај) узима од њега „у ходу“ податке који су му били намењени и убацује у телеграм податке које је спреман да пружи на размену. Телеграм се затим шаље следећем славе чвору, где се дешава иста операција. Након што је прошао кроз све контролне уређаје, телеграм се враћа главном контролеру, који, на основу података добијених од подређених уређаја, имплементира контролну логику, поново комуницирајући путем телеграма са славе чворовима, који издају контролни сигнал за опрема.

ЕтхерЦАТ мрежа може имати било коју топологију, али ће у суштини увек бити прстен - због употребе пуног дуплекс режима и два Етхернет конектора. На овај начин, телеграм ће се увек преносити секвенцијално на сваки уређај на магистрали.

Шематски приказ Етхерцат мреже са више чворова. Извор: реалпарс.цом

Иначе, ЕтхерЦАТ спецификација не садржи ограничења на физичком слоју 100Басе-ТКС, тако да је имплементација протокола могућа на основу гигабитних и оптичких линија.

Отворене индустријске мреже и ПРОФИБУС/НЕТ стандарди компаније Сиеменс

Немачки концерн Сименс је одавно познат по својим програмабилним логичким контролерима (ПЛЦ), који се користе широм света.

Размена података између чворова аутоматизованог система контролисаног Сиеменс опремом врши се како преко теренске магистрале зване ПРОФИБУС, тако и у ПРОФИНЕТ индустријској мрежи.

ПРОФИБУС магистрала користи посебан двожилни кабл са ДБ-9 конекторима. Сименс га има у љубичастој боји, али видели смо и друге у пракси :). За повезивање више чворова, конектор може повезати два кабла. Такође има прекидач за терминални отпорник. Терминални отпорник мора бити укључен на крајњим уређајима мреже, чиме се показује да је ово први или последњи уређај, а после њега нема ништа, само тама и празнина (сви рс485 раде овако). Ако укључите отпорник на средњем конектору, одељак који следи биће искључен.

ПРОФИБУС кабл са прикључним конекторима. Извор: ВИПА ЦонтролсАмерица

ПРОФИНЕТ мрежа користи аналогни кабл са упреденим парицама, обично са РЈ-45 конекторима, кабл је обојен зеленом бојом. Ако је топологија ПРОФИБУС-а магистрала, онда топологија ПРОФИНЕТ мреже може бити било шта: прстен, звезда, дрво или све заједно.

Сиеменс контролер са повезаним ПРОФИНЕТ каблом. Извор: в3.сиеменс.цом

Постоји неколико комуникационих протокола на ПРОФИБУС магистрали иу ПРОФИНЕТ мрежи.

За ПРОФИБУС:

1. ПРОФИБУС ДП - имплементација овог протокола подразумева комуникацију са удаљеним славе уређајима, у случају ПРОФИНЕТ-а овај протокол одговара ПРОФИНЕТ ИО протоколу.
2. ПРОФИБУС ПА је у суштини исти као ПРОФИБУС ДП, само се користи за верзије преноса података и напајања које су заштићене од експлозије (аналогно ПРОФИБУС ДП са различитим физичким својствима). За ПРОФИНЕТ, протокол отпоран на експлозију сличан ПРОФИБУС-у још не постоји.
3. ПРОФИБУС ФМС - дизајниран за размену података са системима других произвођача који не могу да користе ПРОФИБУС ДП. Аналог ПРОФИБУС ФМС у ПРОФИНЕТ мрежи је ПРОФИНЕТ ЦБА протокол.

За ПРОФИНЕТ:

1. ПРОФИНЕТ ИО;
2. ПРОФИНЕТ ЦБА.

ПРОФИНЕТ ИО протокол је подељен у неколико класа:

• ПРОФИНЕТ НРТ (не-реал тиме) - користи се у апликацијама где параметри времена нису критични. Користи Етхернет ТЦП/ИП протокол за пренос података као и УДП/ИП.
• ПРОФИНЕТ РТ (у реалном времену) - овде се размена И/О података реализује коришћењем Етхернет оквира, али се дијагностички и комуникациони подаци и даље преносе преко УДП/ИП. 
• ПРОФИНЕТ ИРТ (Исоцхроноус Реал Тиме) – Овај протокол је развијен посебно за апликације контроле кретања и укључује фазу изохроног преноса података.

Што се тиче имплементације ПРОФИНЕТ ИРТ тврдог протокола у реалном времену, за комуникацију са удаљеним уређајима разликује се два канала размене: изохрони и асинхрони. Изохрони канал са фиксном дужином циклуса размене користи синхронизацију сата и преноси податке критичне за време; телеграми другог нивоа се користе за пренос. Трајање преноса у изохроном каналу не прелази 1 милисекунду.

Асинхрони канал преноси такозване податке у реалном времену, који се такође адресирају преко МАЦ адресе. Поред тога, разне дијагностичке и помоћне информације се преносе преко ТЦП/ИП. Ни подаци у реалном времену, а још мање друге информације, наравно, не могу прекинути изохрони циклус.

Проширени скуп ПРОФИНЕТ ИО функција није потребан за сваки систем индустријске аутоматизације, тако да је овај протокол скалиран за одређени пројекат, узимајући у обзир класе усклађености или класе усаглашености: ЦЦ-А, ЦЦ-Б, ЦЦ-ЦЦ. Класе усклађености вам омогућавају да изаберете теренске уређаје и компоненте окоснице са минималном потребном функционалношћу. 

Извор: ПРОФИНЕТ универзитетска лекција

Други протокол размене у ПРОФИНЕТ мрежи - ПРОФИНЕТ ЦБА - служи за организовање индустријске комуникације између опреме различитих произвођача. Главна производна јединица у ИАС системима је одређени ентитет који се назива компонента. Ова компонента је обично скуп механичких, електричних и електронских делова уређаја или инсталације, као и припадајући апликативни софтвер. За сваку компоненту се бира софтверски модул који садржи комплетан опис интерфејса ове компоненте у складу са захтевима ПРОФИНЕТ стандарда. Након чега се ови софтверски модули користе за размену података са уређајима. 

Б&Р Етхернет ПОВЕРЛИНК протокол

Протокол Поверлинк развила је аустријска компанија Б&Р почетком 2000-их. Ово је још једна имплементација протокола у реалном времену на врху Етхернет стандарда. Спецификација протокола је доступна и слободно се дистрибуира. 

Поверлинк технологија користи такозвани мешовити механизам гласања, када је сва интеракција између уређаја подељена у неколико фаза. Посебно критични подаци се преносе у фази изохроне размене, за коју је конфигурисано потребно време одзива; преостали подаци ће се, кад год је то могуће, преносити у асинхроној фази.

Б&Р контролер са сетом И/О модула. Извор: бр-аутоматион.цом

Протокол је првобитно био имплементиран на 100Басе-ТКС физичком слоју, али је касније развијена гигабитна имплементација.

Поверлинк протокол користи механизам за планирање комуникације. Мрежи се шаље одређени маркер или контролна порука уз помоћ које се утврђује који од уређаја тренутно има дозволу за размену података. Само један уређај може истовремено да има приступ размени.

Шематски приказ Етхернет ПОВЕРЛИНК мреже са више чворова.

У изохроној фази, контролор анкетирања секвенцијално шаље захтев сваком чвору из којег треба да прими критичне податке. 

Изохрона фаза се изводи, као што је већ поменуто, са подесивим временом циклуса. У асинхроној фази размене користи се стек ИП протокола, контролер захтева некритичне податке од свих чворова, који шаљу одговор како добију приступ за пренос у мрежу. Временски однос између изохроне и асинхроне фазе може се подесити ручно.

Роцквелл Аутоматион Етхернет/ИП протокол

ЕтхерНет/ИП протокол је развијен уз активно учешће америчке компаније Роцквелл Аутоматион 2000. године. Користи ТЦП и УДП ИП стек и проширује га за апликације индустријске аутоматизације. Други део имена, супротно увреженом мишљењу, не значи Интернет протокол, већ индустријски протокол. УДП ИП користи комуникациони стог ЦИП (Цоммон Интерфаце Протоцол), који се такође користи у ЦонтролНет/ДевицеНет мрежама и имплементиран је изнад ТЦП/ИП-а.

ЕтхерНет/ИП спецификација је јавно доступна и слободно доступна. Топологија Етхернет/ИП мреже може бити произвољна и укључује прстен, звезду, стабло или магистралу.

Поред стандардних функција ХТТП, ФТП, СМТП, ЕтхерНет/ИП протокола, имплементира пренос временски критичних података између контролера прозивања и И/О уређаја. Пренос временски некритичних података обезбеђен је ТЦП пакетима, а временски критична испорука цикличних контролних података се врши преко УДП протокола. 

За синхронизацију времена у дистрибуираним системима, ЕтхерНет/ИП користи ЦИПсинц протокол, који је проширење ЦИП комуникационог протокола.

Шематски приказ Етхернет/ИП мреже са више чворова и повезивањем Модбус уређаја. Извор: ввв.ицпдас.цом.тв

Да би се поједноставило подешавање ЕтхерНет/ИП мреже, већина стандардних уређаја за аутоматизацију долази са унапред дефинисаним конфигурационим датотекама.

Имплементација ФБУС протокола у Фаствелу

Дуго смо размишљали да ли да на ову листу уврстимо руску компанију Фаствел са њеном домаћом имплементацијом индустријског протокола ФБУС, али смо онда одлучили да напишемо пар пасуса за боље разумевање реалности супституције увоза.

Постоје две физичке имплементације ФБУС-а. Једна од њих је магистрала у којој ФБУС протокол ради на врху стандарда РС485. Поред тога, постоји имплементација ФБУС-а у индустријској Етхернет мрежи.

ФБУС се тешко може назвати протоколом велике брзине; време одзива јако зависи од броја И/О модула на магистрали и од параметара размене; обично се креће од 0,5 до 10 милисекунди. Један ФБУС славе чвор може да садржи само 64 И/О модула. За фиелдбус, дужина кабла не може бити већа од 1 метар, тако да не говоримо о дистрибуираним системима. Тачније, јесте, али само када се користи индустријска ФБУС мрежа преко ТЦП/ИП, што значи вишеструко повећање времена гласања. Продужни каблови магистрале се могу користити за повезивање модула, што омогућава погодно постављање модула у ормар за аутоматизацију.

Фаствел контролер са повезаним И/О модулима. Извор: Контролни инжењеринг Русија

Укупно: како се све ово користи у пракси у аутоматизованим системима управљања процесима

Наравно, разноликост типова савремених индустријских протокола за пренос података је много већа него што смо описали у овом чланку. Неки су везани за одређеног произвођача, неки су, напротив, универзални. Приликом развоја аутоматизованих система управљања процесима (АПЦС), инжењер бира оптималне протоколе, узимајући у обзир специфичне задатке и ограничења (техничка и буџетска).

Ако говоримо о распрострањености одређеног протокола размене, можемо дати дијаграм компаније ХМС Нетворкс АБ, који илуструје тржишне уделе различитих технологија размене у индустријским мрежама.

Извор: ХМС Нетворкс АБ

Као што се може видети на дијаграму, ПРОНЕТ и ПРОФИБУС из Сиеменса заузимају водеће позиције.

Занимљиво, пре 6 година 60% тржишта заузимали су ПРОФИНЕТ и Етхернет/ИП протоколи.

Табела испод садржи збирне податке о описаним протоколима размене. Неки параметри, на пример, перформансе, изражени су апстрактним терминима: висока / ниска. Нумерички еквиваленти се могу наћи у чланцима о анализи учинка. 

	ЕтхерЦАТ	ПОВЕРЛИНК	ПРОФИНЕТ	ЕтхерНет/ИП	МодбусТЦП
Физички слој	100/1000 БАСЕ-ТКС	100/1000 БАСЕ-ТКС	100/1000 БАСЕ-ТКС	100/1000 БАСЕ-ТКС	100/1000 БАСЕ-ТКС
Ниво података	Канал (Етернет оквири)	Канал (Етернет оквири)	Канал (Етернет оквири), Мрежа/транспорт (ТЦП/ИП)	Мрежа/Транспорт (ТЦП/ИП)	Мрежа/Транспорт (ТЦП/ИП)
Подршка у реалном времену	Да	Да	Да	Да	Не
Перформансе	Висок	Висок	ИРТ – висок, РТ – средњи	Просек	Низкаа
Дужина кабла између чворова	КСНУМКСм	100м/2км	КСНУМКСм	КСНУМКСм	КСНУМКСм
Фазе преноса	Не	Изохрони + асинхрони	ИРТ – изохрони + асинхрони, РТ – асинхрони	Не	Не
Број чворова	65535	240	Ограничење ТЦП/ИП мреже	Ограничење ТЦП/ИП мреже	Ограничење ТЦП/ИП мреже
Резолуција судара	Топологија прстена	Синхронизација сата, фазе преноса	Топологија прстена, фазе преноса	Прекидачи, топологија звезда	Прекидачи, топологија звезда
Хот свап	Не	Да	Да	Да	У зависности од имплементације
Трошкови опреме	Низкаа	Низкаа	Висок	Просек	Низкаа

Области примене описаних протокола размене, сабирница поља и индустријских мрежа су веома разноврсне. Од хемијске и аутомобилске индустрије до ваздухопловне технологије и производње електронике. Протоколи за размену велике брзине су тражени у системима позиционирања у реалном времену за различите уређаје и у роботици.

Са којим сте протоколима радили и где сте их примењивали? Поделите своје искуство у коментарима. 🙂

Извор: ввв.хабр.цом