vi pratade om hur bussar och protokoll fungerar inom industriell automation. Den här gången kommer vi att fokusera på moderna arbetslösningar: vi kommer att titta på vilka protokoll som används i system runt om i världen. Låt oss överväga teknikerna från de tyska företagen Beckhoff och Siemens, det österrikiska B&R, det amerikanska Rockwell Automation och det ryska Fastwel. Vi kommer också att studera universella lösningar som inte är knutna till en specifik tillverkare, som EtherCAT och CAN.
I slutet av artikeln kommer det att finnas en jämförelsetabell med egenskaperna hos protokollen EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP och ModbusTCP.
Vi inkluderade inte PRP, HSR, OPC UA och andra protokoll i granskningen, eftersom Det finns redan utmärkta artiklar om dem på Habré av våra medingenjörer som utvecklar industriella automationssystem. Till exempel, и .
Låt oss först definiera terminologin: Industriellt Ethernet = industriellt nätverk, Fältbuss = fältbuss. Inom rysk industriell automation råder förvirring i termer relaterade till fältbussen och det industriella nätverket på lägre nivå. Ofta kombineras dessa termer till ett enda, vagt koncept som kallas "lägre nivå", som kallas både en fältbuss och en undernivåbuss, även om det kanske inte är en buss alls.
Varför så?Denna förvirring beror med största sannolikhet på det faktum att i många moderna styrenheter, är anslutningen av I/O-moduler ofta implementerad med hjälp av ett bakplan eller en fysisk buss. Det vill säga att vissa busskontakter och kontakter används för att kombinera flera moduler till en enda enhet. Men sådana noder kan i sin tur sammankopplas med både ett industrinät och en fältbuss. I västerländsk terminologi finns en tydlig uppdelning: ett nätverk är ett nätverk, en buss är en buss. Den första betecknas med termen Industrial Ethernet, den andra av Fieldbus. I artikeln föreslås att begreppen ”industriellt nätverk” och begreppet ”fältbuss” används för dessa begrepp.
Industriell nätverksstandard EtherCAT, utvecklad av Beckhoff
EtherCAT-protokollet och det industriella nätverket är kanske en av de snabbaste metoderna för dataöverföring i automationssystem idag. EtherCAT-nätverket används framgångsrikt i distribuerade automationssystem, där interagerande noder separeras över långa avstånd.
EtherCAT-protokollet använder standard Ethernet-ramar för att sända sina telegram, så det förblir kompatibelt med all standard Ethernet-utrustning och i själva verket kan datamottagning och överföring organiseras på vilken Ethernet-styrenhet som helst, förutsatt att lämplig programvara finns tillgänglig.
Beckhoff-styrenhet med en uppsättning I/O-moduler. Källa:
Protokollspecifikationen är öppen och tillgänglig, men endast inom ramen för utvecklingsföreningen - EtherCAT Technology Group.
Så här fungerar EtherCAT (spektaklet är fascinerande, som spelet Zuma Inca):
Den höga utbyteshastigheten i detta protokoll - och vi kan prata om enheter på mikrosekunder - realiseras på grund av det faktum att utvecklarna vägrade att utbyta med hjälp av telegram som skickas direkt till en specifik enhet. Istället skickas ett telegram till EtherCAT-nätverket, adresserat till alla enheter samtidigt, var och en av slavnoderna för insamling och överföring av information (de kallas också ofta OSO - objektkommunikationsenhet) tar från den "i farten" de uppgifter som var avsedda för det och infogar i ett telegram de uppgifter som han är redo att tillhandahålla för utbyte. Telegrammet skickas sedan till nästa slavnod, där samma operation sker. Efter att ha passerat alla styrenheter, returneras telegrammet till huvudstyrenheten, som, baserat på data som tas emot från slavenheterna, implementerar styrlogiken, återigen interagerar genom telegrammet med slavnoderna, som avger en styrsignal till utrustningen.
Ett EtherCAT-nätverk kan ha vilken topologi som helst, men i huvudsak kommer det alltid att vara en ring – på grund av användningen av fullt duplexläge och två Ethernet-kontakter. På detta sätt kommer telegrammet alltid att sändas sekventiellt till varje enhet på bussen.
Schematisk representation av ett Ethercat-nätverk med flera noder. Källa:
Förresten, EtherCAT-specifikationen innehåller inga begränsningar för det fysiska lagret 100Base-TX, så implementering av protokollet är möjligt baserat på gigabit och optiska linjer.
Öppna industriella nätverk och PROFIBUS/NET-standarder från Siemens
Det tyska företaget Siemens har länge varit känt för sina programmerbara logiska styrenheter (PLC), som används över hela världen.
Datautbyte mellan noder i ett automatiserat system som styrs av Siemens-utrustning sker både via en fältbuss kallad PROFIBUS och i PROFINETs industriella nätverk.
PROFIBUS-bussen använder en speciell tvåledarkabel med DB-9-kontakter. Siemens har den i lila, men vi har sett andra i praktiken :). För att ansluta flera noder kan en kontakt ansluta två kablar. Den har även en omkopplare för terminalmotståndet. Terminalmotståndet måste slås på vid nätverkets slutenheter, vilket indikerar att detta är den första eller sista enheten, och efter den finns det ingenting, bara mörker och tomhet (alla rs485s fungerar så här). Om du slår på ett motstånd på mellankontakten kommer avsnittet efter det att stängas av.
PROFIBUS-kabel med anslutningskontakter. Källa:
PROFINET-nätverket använder en analog partvinnad kabel, vanligtvis med RJ-45-kontakter, kabeln är grön. Om topologin för PROFIBUS är en buss, så kan topologin för PROFINET-nätverket vara vad som helst: en ring, en stjärna, ett träd eller allt tillsammans.
Siemens styrenhet med ansluten PROFINET-kabel. Källa: w3.siemens.com
Det finns flera kommunikationsprotokoll på PROFIBUS-bussen och i PROFINET-nätverket.
För PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - implementeringen av detta protokoll innebär kommunikation med fjärranslutna slavenheter; i fallet med PROFINET motsvarar detta protokoll PROFINET IO-protokollet.
- PROFIBUS PA är i huvudsak samma som PROFIBUS DP, används endast för explosionssäkra versioner av dataöverföring och strömförsörjning (analogt med PROFIBUS DP med olika fysiska egenskaper). För PROFINET finns ännu inte ett explosionssäkert protokoll liknande PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - designad för datautbyte med system från andra tillverkare som inte kan använda PROFIBUS DP. PROFIBUS FMS-analogen i PROFINET-nätverket är PROFINET CBA-protokollet.
För PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO-protokollet är uppdelat i flera klasser:
- PROFINET NRT (icke-realtid) - används i applikationer där tidsparametrar inte är kritiska. Den använder Ethernet TCP/IP dataöverföringsprotokoll samt UDP/IP.
- PROFINET RT (realtid) - här implementeras I/O-datautbyte med hjälp av Ethernet-ramar, men diagnostik- och kommunikationsdata överförs fortfarande via UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Detta protokoll har utvecklats specifikt för rörelsekontrollapplikationer och inkluderar en isokron dataöverföringsfas.
När det gäller implementeringen av PROFINET IRT hårda realtidsprotokoll, för kommunikation med fjärrenheter skiljer det två utbyteskanaler: isokron och asynkron. En isokron kanal med en fast växlingscykellängd använder klocksynkronisering och sänder tidskritiska data, andra nivåstelegram används för överföring. Sändningslängden i en isokron kanal överstiger inte 1 millisekund.
Den asynkrona kanalen sänder så kallad realtidsdata, som även adresseras via en MAC-adress. Dessutom sänds olika diagnostiska och extra informationer över TCP/IP. Varken realtidsdata, mycket mindre annan information, naturligtvis, kan avbryta den isokrona cykeln.
Den utökade uppsättningen av PROFINET IO-funktioner behövs inte för alla industriella automationssystem, så detta protokoll är skalat för ett specifikt projekt, med hänsyn till efterlevnadsklasser eller överensstämmelseklasser: CC-A, CC-B, CC-CC. Överensstämmelseklasser låter dig välja fältenheter och ryggradskomponenter med den minsta nödvändiga funktionaliteten.
Källa:
Det andra utbytesprotokollet i PROFINET-nätverket - PROFINET CBA - används för att organisera industriell kommunikation mellan utrustning från olika tillverkare. Den huvudsakliga produktionsenheten i IAS-system är en viss enhet som kallas en komponent. Denna komponent är vanligtvis en samling av mekaniska, elektriska och elektroniska delar av en enhet eller installation, såväl som tillhörande applikationsprogramvara. För varje komponent väljs en mjukvarumodul som innehåller en fullständig beskrivning av gränssnittet för denna komponent i enlighet med kraven i PROFINET-standarden. Därefter används dessa programvarumoduler för att utbyta data med enheter.
B&R Ethernet POWERLINK-protokoll
Powerlink-protokollet utvecklades av det österrikiska företaget B&R i början av 2000-talet. Detta är ytterligare en implementering av ett realtidsprotokoll ovanpå Ethernet-standarden. Protokollspecifikationen är tillgänglig och distribueras fritt.
Powerlink-tekniken använder en så kallad mixed polling-mekanism, då all interaktion mellan enheter är uppdelad i flera faser. Särskilt kritiska data överförs i den isokrona utbytesfasen, för vilken den erforderliga svarstiden är konfigurerad, återstående data kommer att överföras, när det är möjligt, i den asynkrona fasen.
B&R-styrenhet med en uppsättning I/O-moduler. Källa: br-automation.com
Protokollet implementerades ursprungligen ovanpå det fysiska lagret 100Base-TX, men senare utvecklades en gigabit-implementation.
Powerlink-protokollet använder en kommunikationsschemaläggningsmekanism. Ett visst markör- eller kontrollmeddelande skickas till nätverket, med hjälp av vilket det bestäms vilken av enheterna som för närvarande har behörighet att utbyta data. Endast en enhet kan ha åtkomst till växeln åt gången.
Schematisk representation av ett Ethernet POWERLINK-nätverk med flera noder.
I den isokrona fasen skickar avfrågningsstyrenheten sekventiellt en begäran till varje nod från vilken den behöver ta emot kritisk data.
Den isokrona fasen utförs, som redan nämnts, med en justerbar cykeltid. I den asynkrona fasen av växeln används IP-protokollstacken, styrenheten begär icke-kritisk data från alla noder, som skickar ett svar när de får tillgång för att överföra till nätverket. Tidsförhållandet mellan de isokrona och asynkrona faserna kan justeras manuellt.
Rockwell Automation Ethernet/IP-protokoll
EtherNet/IP-protokollet utvecklades med aktivt deltagande av det amerikanska företaget Rockwell Automation år 2000. Den använder TCP och UDP IP-stacken och utökar den för industriella automationsapplikationer. Den andra delen av namnet, i motsats till vad många tror, betyder inte Internet Protocol, utan Industrial Protocol. UDP IP använder kommunikationsstacken CIP (Common Interface Protocol), som också används i ControlNet/DeviceNet-nätverk och är implementerad ovanpå TCP/IP.
EtherNet/IP-specifikationen är allmänt tillgänglig och fritt tillgänglig. Ethernet/IP-nätverkstopologin kan vara godtycklig och inkludera ring, stjärna, träd eller buss.
Förutom standardfunktionerna för HTTP-, FTP-, SMTP-, EtherNet/IP-protokollen, implementerar den överföringen av tidskritiska data mellan pollingkontrollern och I/O-enheter. Överföringen av icke-tidskritiska data tillhandahålls av TCP-paket, och den tidskritiska leveransen av cyklisk styrdata utförs via UDP-protokollet.
För att synkronisera tid i distribuerade system använder EtherNet/IP CIPsync-protokollet, som är en förlängning av CIP-kommunikationsprotokollet.
Schematisk representation av ett Ethernet/IP-nätverk med flera noder och anslutning av Modbus-enheter. Källa:
För att förenkla installationen av EtherNet/IP-nätverk kommer de flesta standardautomationsenheter med fördefinierade konfigurationsfiler.
Implementering av FBUS-protokollet på Fastwel
Vi funderade länge på om vi skulle inkludera det ryska företaget Fastwel i den här listan med dess inhemska implementering av industriprotokollet FBUS, men sedan bestämde vi oss för att skriva ett par stycken för en bättre förståelse av verkligheten av importsubstitution.
Det finns två fysiska implementeringar av FBUS. En av dem är en buss där FBUS-protokollet körs ovanpå RS485-standarden. Dessutom finns en implementering av FBUS i ett industriellt Ethernet-nätverk.
FBUS kan knappast kallas ett höghastighetsprotokoll, svarstiden beror starkt på antalet I/O-moduler på bussen och på utbytesparametrarna, den sträcker sig vanligtvis från 0,5 till 10 millisekunder. En FBUS-slavnod kan endast innehålla 64 I/O-moduler. För en fältbuss får kabellängden inte överstiga 1 meter, så vi pratar inte om distribuerade system. Eller snarare, det gör det, men bara när man använder ett industriellt FBUS-nätverk över TCP/IP, vilket innebär en ökning av pollingtiden flera gånger. Bussförlängningssladdar kan användas för att ansluta moduler, vilket möjliggör bekväm placering av moduler i automationsskåpet.
Fastwel-regulator med anslutna I/O-moduler. Källa:
Totalt: hur allt detta används i praktiken i automatiserade processtyrningssystem
Naturligtvis är variationen av typer av moderna industriella dataöverföringsprotokoll mycket större än vad vi beskrev i den här artikeln. Vissa är knutna till en specifik tillverkare, andra är tvärtom universella. Vid utveckling av automatiserade processkontrollsystem (APCS) väljer ingenjören de optimala protokollen, med hänsyn till specifika uppgifter och begränsningar (tekniska och budgetmässiga).
Om vi talar om förekomsten av ett visst utbytesprotokoll kan vi tillhandahålla ett diagram över företaget HMS Networks AB, som illustrerar marknadsandelarna för olika utbytesteknologier i industriella nätverk.
Källa:
Som framgår av diagrammet intar PRONET och PROFIBUS från Siemens de ledande positionerna.
Intressant nog för 6 år sedan .
Tabellen nedan innehåller sammanfattande data om de beskrivna utbytesprotokollen. Vissa parametrar, till exempel prestanda, uttrycks i abstrakta termer: hög / låg. Numeriska motsvarigheter finns i artiklar om prestationsanalys.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Fysiskt lager
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Datanivå
|
Kanal (Ethernet-ramar)
|
Kanal (Ethernet-ramar)
|
Kanal (Ethernet-ramar), Nätverk/transport (TCP/IP)
|
Nätverk/Transport (TCP/IP)
|
Nätverk/Transport (TCP/IP)
|
|
Realtidssupport
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Ingen
|
|
Производительность
|
Hög
|
Hög
|
IRT – hög, RT – medium
|
Genomsnittlig
|
låg
|
|
Kabellängd mellan noder
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Överföringsfaser
|
Ingen
|
Isokron + asynkron
|
IRT – isokron + asynkron, RT – asynkron
|
Ingen
|
Ingen
|
|
Antal noder
|
65535
|
240
|
TCP/IP-nätverksbegränsning
|
TCP/IP-nätverksbegränsning
|
TCP/IP-nätverksbegränsning
|
|
Kollisionsupplösning
|
Ringtopologi
|
Klocksynkronisering, överföringsfaser
|
Ringtopologi, transmissionsfaser
|
Omkopplare, stjärntopologi
|
Omkopplare, stjärntopologi
|
|
Hot swap
|
Ingen
|
Ja
|
Ja
|
Ja
|
Beroende på genomförandet
|
|
Kostnad för utrustning
|
låg
|
låg
|
Hög
|
Genomsnittlig
|
låg
|
Användningsområdena för de beskrivna utbytesprotokollen, fältbussarna och industriella nätverk är mycket olika. Från kemi- och fordonsindustrin till flygteknik och elektroniktillverkning. Höghastighetsutbytesprotokoll är efterfrågade i realtidspositioneringssystem för olika enheter och inom robotik.
Vilka protokoll arbetade du med och var använde du dem? Dela din upplevelse i kommentarerna. 🙂
Källa: will.com