Tinjauan protokol modern dina sistem automation industri

Dina publikasi saméméhna urang ngobrol ngeunaan kumaha beus jeung protokol jalan dina automation industri. Waktos ieu urang bakal difokuskeun solusi kerja modern: urang bakal ningali naon protokol anu dianggo dina sistem di sakumna dunya. Hayu urang nganggap téknologi perusahaan Jerman Beckhoff sareng Siemens, B&R Austrian, American Rockwell Automation sareng Fastwel Rusia. Urang ogé bakal diajar solusi universal nu teu dihijikeun ka produsén husus, kayaning EtherCAT na CAN. 

Dina ahir tulisan bakal aya tabel ngabandingkeun sareng karakteristik protokol EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP sareng ModbusTCP.

Urang teu kaasup PRP, HSR, OPC UA jeung nu lianna protokol di review, sabab Parantos aya tulisan anu saé ngeunaan éta ngeunaan Habré ku sasama insinyur urang anu ngembangkeun sistem otomatisasi industri. Salaku conto, "PRP sareng HSR "seamless" protokol redundansi" и "Gateways protokol bursa industri dina Linux. Kumpulkeun sorangan".

Kahiji, hayu urang ngartikeun terminologi: Industrial Ethernet = jaringan industri, Fieldbus = beus lapangan. Dina otomatisasi industri Rusia, aya kabingungan dina istilah anu aya hubunganana sareng beus lapangan sareng jaringan industri tingkat handap. Seringna istilah-istilah ieu dihijikeun kana hiji konsép anu samar-samar anu disebut "tingkat handap", anu disebut ogé salaku beus lapangan sareng beus sublevel, sanaos éta sanés mangrupikeun beus.

Kunaon kituKabingungan ieu paling dipikaresep alatan kanyataan yén dina loba Controllers modern, sambungan modul I / O mindeng dilaksanakeun ngagunakeun backplane atawa beus fisik. Nyaéta, kontak sareng konektor beus tangtu dianggo pikeun ngagabungkeun sababaraha modul kana unit tunggal. Tapi titik-titik sapertos kitu, tiasa dihubungkeun ku jaringan industri sareng beus lapangan. Dina terminologi Kulon aya division jelas: jaringan mangrupa jaringan, beus - beus. Anu kahiji ditunjuk ku istilah Ethernet Industri, anu kadua ku Fieldbus. Artikel ieu ngusulkeun ngagunakeun istilah "jaringan industri" sareng istilah "beus lapangan" pikeun konsép ieu masing-masing.

Standar jaringan industri EtherCAT, dikembangkeun ku Beckhoff

Protokol EtherCAT sareng jaringan industri panginten mangrupikeun salah sahiji metode pangiriman data anu paling gancang dina sistem otomatisasi ayeuna. Jaringan EtherCAT hasil dipaké dina sistem automation disebarkeun, dimana titik interaksi dipisahkeun dina jarak jauh.

Protokol EtherCAT ngagunakeun pigura Ethernet baku pikeun ngirimkeun telegram na, ku kituna tetep cocog sareng sagala parabot Ethernet baku sarta, kanyataanna, panarimaan data sarta pangiriman bisa diatur dina sagala controller Ethernet, disadiakeun software luyu sadia.

Beckhoff controller jeung susunan I / modul O. Sumber: www.beckhoff.de

Spésifikasi protokol kabuka sarta sadia, tapi ngan dina kerangka pakaitna ngembangkeun - EtherCAT Téhnologi Grup.

Kieu kumaha EtherCAT jalanna (tontonan éta mesmerizing, sapertos kaulinan Zuma Inca):

Kacepetan bursa anu luhur dina protokol ieu - sareng urang tiasa ngobrol ngeunaan unit microseconds - diwujudkeun kusabab kanyataan yén pamekar nampik tukeur nganggo telegram anu dikirim langsung ka alat anu khusus. Sabalikna, hiji telegram dikirim ka jaringan EtherCAT, ditujukeun ka sadaya alat dina waktos anu sami, masing-masing titik budak pikeun ngumpulkeun sareng ngirimkeun inpormasi (aranjeunna ogé sering disebut OSO - alat komunikasi obyék) nyandak tina éta "dina laleur". data anu dimaksudkeun pikeun éta sareng ngalebetkeun dina telegram data anu anjeunna siap nyayogikeun pikeun tukeur. Telegram teras dikirim ka titik budak salajengna, dimana operasi anu sami lumangsung. Saatos ngalangkungan sadaya alat kontrol, telegram dipulangkeun ka pangontrol utama, anu, dumasar kana data anu ditampi tina alat budak, ngalaksanakeun logika kontrol, deui berinteraksi liwat telegram sareng titik budak, anu ngaluarkeun sinyal kontrol pikeun parabot.

Jaringan EtherCAT tiasa gaduh topologi naon waé, tapi dina hakekatna bakal janten cincin - kusabab panggunaan mode duplex pinuh sareng dua konektor Ethernet. Ku cara kieu, telegram bakal salawasna dikirimkeun sequentially ka unggal alat dina beus.

Répréséntasi skéma tina jaringan Ethercat sareng sababaraha titik. Sumber: realpars.com

Ku jalan kitu, spésifikasi EtherCAT henteu ngandung larangan dina lapisan fisik 100Base-TX, ku kituna palaksanaan protokol mungkin dumasar kana gigabit sareng garis optik.

Buka jaringan industri sareng standar PROFIBUS/NET ti Siemens

Perhatian Jerman Siemens geus lila dipikawanoh pikeun programmable logic controllers (PLCs), nu dipaké di sakuliah dunya.

Pertukaran data antara titik-titik tina sistem otomatis anu dikadalikeun ku peralatan Siemens dilaksanakeun boh liwat beus lapangan anu disebut PROFIBUS sareng dina jaringan industri PROFINET.

Beus PROFIBUS ngagunakeun kabel dua-inti husus sareng konektor DB-9. Siemens gaduh warna ungu, tapi urang parantos ningali anu sanés dina prakték :). Pikeun nyambungkeun sababaraha titik, konektor bisa nyambungkeun dua kabel. Ogé boga switch pikeun résistor terminal. Résistor terminal kedah dihurungkeun dina alat tungtung jaringan, sahingga nunjukkeun yén ieu mangrupikeun alat anu munggaran atanapi terakhir, sareng saatosna teu aya nanaon, ngan ukur gelap sareng kosong (sadayana rs485 tiasa dianggo sapertos kieu). Upami anjeun ngaktipkeun résistor dina konektor panengah, bagian di handapna bakal dipareuman.

Kabel PROFIBUS sareng panyambungna. Sumber: VIPA ControlsAmérika

Jaringan PROFINET ngagunakeun kabel twisted pair analog, biasana nganggo konektor RJ-45, kabelna diwarnaan héjo. Upami topologi PROFIBUS mangrupikeun beus, maka topologi jaringan PROFINET tiasa naon waé: cincin, bintang, tangkal, atanapi sadayana digabungkeun.

Siemens controller kalawan sambungan kabel PROFINET. Sumber: w3.siemens.com

Aya sababaraha protokol komunikasi dina beus PROFIBUS sareng dina jaringan PROFINET.

Pikeun PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - palaksanaan protokol ieu ngalibatkeun komunikasi sareng alat budak jauh; dina kasus PROFINET, protokol ieu pakait sareng protokol PROFINET IO.
2. PROFIBUS Pa dasarna sarua jeung PROFIBUS DP, ngan dipaké pikeun versi ledakan-bukti transmisi data jeung catu daya (analog jeung PROFIBUS DP mibanda sipat fisik béda). Pikeun PROFINET, protokol tahan ledakan anu sami sareng PROFIBUS teu acan aya.
3. PROFIBUS FMS - dirancang pikeun tukeur data sareng sistem ti pabrik sanés anu henteu tiasa nganggo PROFIBUS DP. Analog PROFIBUS FMS dina jaringan PROFINET nyaéta protokol PROFINET CBA.

Pikeun PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Protokol PROFINET IO dibagi kana sababaraha kelas:

• PROFINET NRT (non-real time) - dipaké dina aplikasi dimana parameter timing henteu kritis. Éta ngagunakeun protokol transfer data Ethernet TCP/IP ogé UDP/IP.
• PROFINET RT (real time) - dieu I / O bursa data dilaksanakeun ngagunakeun pigura Ethernet, tapi data diagnostik jeung komunikasi masih ditransfer via UDP / IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Protokol ieu dikembangkeun khusus pikeun aplikasi kontrol gerak sareng kalebet fase transfer data isochronous.

Sedengkeun pikeun palaksanaan protokol real-time teuas PROFINET IRT, pikeun komunikasi sareng alat jauh eta ngabedakeun dua saluran bursa: isochronous na Asynchronous. Saluran isochronous kalayan panjang siklus bursa tetep ngagunakeun sinkronisasi jam sareng ngirimkeun data kritis waktos; telegram tingkat kadua dianggo pikeun pangiriman. Durasi pangiriman dina saluran isochronous henteu ngaleuwihan 1 milidetik.

Saluran asynchronous ngirimkeun anu disebut data real-time, anu ogé kajawab ku alamat MAC. Salaku tambahan, rupa-rupa inpormasi diagnostik sareng bantu dikirimkeun ngaliwatan TCP/IP. Sanes data real-time, langkung seueur inpormasi sanésna, tangtosna, tiasa ngaganggu siklus isochronous.

The set nambahan fungsi PROFINET IO teu diperlukeun pikeun unggal sistem automation industri, jadi protokol ieu diskalakeun pikeun proyék husus, nyokot kana akun kelas minuhan atawa kelas conformance: CC-A, CC-B, CC-CC. Kelas minuhan ngidinan Anjeun pikeun milih alat lapangan jeung komponén tulang tonggong jeung fungsionalitas diperlukeun minimum. 

sumber: palajaran universitas PROFINET

Protokol bursa kadua dina jaringan PROFINET - PROFINET CBA - dipaké pikeun ngatur komunikasi industri antara alat-alat ti pabrik béda. Unit produksi utama dina sistem IAS nyaéta éntitas tangtu disebut komponén. Komponén ieu biasana mangrupikeun kumpulan bagian mékanis, listrik sareng éléktronik tina alat atanapi pamasangan, sareng parangkat lunak aplikasi anu aya hubunganana. Pikeun unggal komponén dipilih modul software nu ngandung pedaran lengkep antarbeungeut komponén ieu luyu jeung sarat tina standar PROFINET. Sanggeus éta modul software ieu dipaké pikeun tukeur data jeung alat. 

B&R Ethernet POWERLINK protokol

Protokol Powerlink dikembangkeun ku perusahaan Austria B&R dina awal 2000s. Ieu palaksanaan sejen tina protokol real-time dina luhureun standar Ethernet. Spésifikasi protokol sayogi sareng disebarkeun sacara bébas. 

Téknologi Powerlink ngagunakeun mékanisme polling campuran anu disebut, nalika sadaya interaksi antara alat dibagi kana sababaraha fase. Utamana data kritis dikirimkeun dina fase bursa isochronous, nu waktu respon diperlukeun geus ngonpigurasi; data sésana bakal dikirimkeun, sabisana, dina fase Asynchronous.

B & R controller jeung susunan I / modul O. Sumber: br-automation.com

protokol asalna dilaksanakeun dina luhureun lapisan fisik 100Base-TX, tapi engké a palaksanaan gigabit dimekarkeun.

Protokol Powerlink ngagunakeun mékanisme scheduling komunikasi. Hiji spidol atawa pesen kontrol nu tangtu dikirim ka jaringan, kalayan bantuan nu nangtukeun mana sahiji alat ayeuna boga idin pikeun tukeur data. Ngan hiji alat nu bisa boga aksés ka bursa dina hiji waktu.

Répréséntasi skéma tina jaringan Ethernet POWERLINK sareng sababaraha titik.

Dina fase isochronous, kontroler polling sacara berurutan ngirimkeun pamundut ka unggal titik dimana éta kedah nampi data kritis. 

Fase isochronous dipigawé, sakumaha geus disebutkeun, kalawan waktu siklus adjustable. Dina fase Asynchronous bursa dipaké tumpukan protokol IP, controller requests data non-kritis ti sakabéh titik, nu ngirim respon nalika aranjeunna meunang aksés ka ngirimkeun ka jaringan. Babandingan waktu antara fase isochronous jeung asynchronous bisa disaluyukeun sacara manual.

Rockwell Automation Ethernet / Protokol IP

Protokol EtherNet/IP dikembangkeun kalayan partisipasi aktif perusahaan Amérika Rockwell Automation di 2000. Éta ngagunakeun tumpukan TCP sareng UDP IP, sareng ngalegaan pikeun aplikasi otomatisasi industri. Bagian kadua tina nami, bertentangan sareng kapercayaan umum, sanés hartosna Protokol Internét, tapi Protokol Industri. UDP IP ngagunakeun tumpukan komunikasi CIP (Common Interface Protocol), anu ogé dipaké dina jaringan ControlNet/DeviceNet sarta dilaksanakeun dina luhureun TCP/IP.

Spésifikasi EtherNet/IP sayogi umum sareng sayogi gratis. Topologi jaringan Ethernet / IP tiasa sawenang-wenang sareng kalebet ring, béntang, tangkal atanapi beus.

Salian fungsi standar tina protokol HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, éta ngalaksanakeun mindahkeun data kritis waktos antara controller polling sareng alat I/O. Pangiriman data non-waktos-kritis disayogikeun ku pakét TCP, sareng pangiriman data kontrol siklik waktos-kritis dilaksanakeun ngalangkungan protokol UDP. 

Pikeun nyingkronkeun waktos dina sistem disebarkeun, EtherNet / IP ngagunakeun protokol CIPsync, nu mangrupa extension tina protokol komunikasi CIP.

Répréséntasi skéma tina jaringan Ethernet / IP sareng sababaraha titik sareng sambungan alat Modbus. Sumber: www.icpdas.com.tw

Pikeun nyederhanakeun setelan jaringan EtherNet/IP, sabagéan ageung alat otomatisasi standar nganggo file konfigurasi anu tos siap.

Palaksanaan protokol FBUS di Fastwel

Kami parantos lami panginten naha kalebet perusahaan Rusia Fastwel dina daptar ieu sareng palaksanaan domestik tina protokol industri FBUS, tapi teras urang mutuskeun nyerat sababaraha paragraf pikeun pamahaman anu langkung saé ngeunaan realitas substitusi impor.

Aya dua palaksanaan fisik FBUS. Salah sahijina nyaéta beus anu nganggo protokol FBUS di luhur standar RS485. Salaku tambahan, aya palaksanaan FBUS dina jaringan Ethernet industri.

FBUS boro bisa disebut protokol-speed tinggi; waktu respon pisan gumantung kana jumlah modul I / O dina beus jeung dina parameter bursa; biasana rentang ti 0,5 nepi ka 10 milliseconds. Hiji titik budak FBUS ngan bisa ngandung 64 modul I / O. Pikeun bus lapangan, panjang kabel henteu tiasa langkung ti 1 méter, janten urang henteu ngobrol ngeunaan sistem anu disebarkeun. Atawa rada, éta, tapi ngan lamun ngagunakeun jaringan FBUS industri ngaliwatan TCP / IP, nu hartina kanaékan waktos polling sababaraha kali. cords extension beus bisa dipaké pikeun nyambungkeun modul, nu ngamungkinkeun pikeun panempatan merenah tina modul dina kabinet automation.

Fastwel controller jeung disambungkeun I / modul O. Sumber: Kontrol Téknik Rusia

Total: kumaha sadayana ieu dianggo dina praktekna dina sistem kontrol prosés otomatis

Alami, rupa-rupa jinis protokol transfer data industri modern langkung ageung tibatan anu dijelaskeun dina tulisan ieu. Sababaraha dihijikeun ka produsén husus, sababaraha, sabalikna, universal. Nalika ngembangkeun sistem kontrol prosés otomatis (APCS), insinyur milih protokol optimal, nyandak kana akun tugas husus sarta watesan (teknis jeung budgetary).

Lamun urang ngobrol ngeunaan Prévalénsi protokol bursa tangtu, urang bisa nyadiakeun diagram pausahaan HMS Networks AB, nu ngagambarkeun pangsa pasar rupa-rupa téknologi bursa dina jaringan industri.

sumber: HMS Networks AB

Salaku bisa ditempo dina diagram, PRONET na PROFIBUS ti Siemens nempatan posisi ngarah.

Nu matak, 6 taun katukang 60% pasar dijajah ku PROFINET sareng protokol Ethernet / IP.

Tabel di handap ngandung data kasimpulan dina protokol bursa digambarkeun. Sababaraha parameter, contona, kinerja, dinyatakeun dina istilah abstrak: luhur / low. Equivalents numeris bisa kapanggih dina artikel analisis kinerja. 

	ÉterCAT	POWERLINK	PROFINET	ÉterNet / IP	ModbusTCP
Lapisan fisik	100/1000 DASAR-TX	100/1000 DASAR-TX	100/1000 DASAR-TX	100/1000 DASAR-TX	100/1000 DASAR-TX
Tingkat data	Saluran (bingkai Ethernet)	Saluran (bingkai Ethernet)	Saluran (bingkai Ethernet), Jaringan/transportasi (TCP/IP)	Jaringan/Transportasi (TCP/IP)	Jaringan/Transportasi (TCP/IP)
Pangrojong waktos nyata	yen	yen	yen	yen	teu
kakuwatan keur ngasilkeun	Высокая	Высокая	IRT - luhur, RT - sedeng	pusat	saeutik
Panjang kabel antara titik	100m	100 m/2 km	100m	100m	100m
Fase mindahkeun	teu	Isochronous + asinkron	IRT - isochronous + Asynchronous, RT - Asynchronous	teu	teu
Jumlah titik	65535	240	TCP/IP Network Watesan	TCP/IP Network Watesan	TCP/IP Network Watesan
Resolusi tabrakan	Topologi ring	Sinkronisasi jam, fase pangiriman	Topologi ring, fase transmisi	Saklar, topologi béntang	Saklar, topologi béntang
Swap panas	teu	yen	yen	yen	Gumantung kana palaksanaan
Biaya pakakas	saeutik	saeutik	Высокая	pusat	saeutik

Wewengkon aplikasi tina protokol bursa anu dijelaskeun, beus lapangan sareng jaringan industri rupa-rupa pisan. Ti industri kimia sareng otomotif dugi ka téknologi aeroangkasa sareng manufaktur éléktronika. Protokol bursa-speed tinggi dipénta dina sistem posisi sacara real-time pikeun sababaraha alat sareng dina robotika.

Protokol naon anu anjeun damel sareng dimana anjeun nerapkeunana? Bagikeun pangalaman anjeun dina komentar. 🙂

sumber: www.habr.com