pinag-usapan namin kung paano gumagana ang mga bus at protocol sa automation ng industriya. Sa pagkakataong ito, tututuon tayo sa mga modernong solusyon sa pagtatrabaho: titingnan natin kung anong mga protocol ang ginagamit sa mga system sa buong mundo. Isaalang-alang natin ang mga teknolohiya ng mga kumpanyang Aleman na Beckhoff at Siemens, ang Austrian B&R, ang American Rockwell Automation at ang Russian Fastwel. Pag-aaralan din namin ang mga unibersal na solusyon na hindi nakatali sa isang partikular na tagagawa, tulad ng EtherCAT at CAN.
Sa dulo ng artikulo ay magkakaroon ng talahanayan ng paghahambing na may mga katangian ng mga protocol ng EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP at ModbusTCP.
Hindi namin isinama ang PRP, HSR, OPC UA at iba pang protocol sa pagsusuri, dahil Mayroon nang mahuhusay na artikulo tungkol sa mga ito sa HabrΓ© ng aming mga kapwa inhinyero na bumubuo ng mga sistema ng automation ng industriya. Halimbawa, ΠΈ .
Una, tukuyin natin ang terminolohiya: Industrial Ethernet = pang-industriyang network, Fieldbus = field bus. Sa automation ng industriya ng Russia, mayroong pagkalito sa mga tuntunin na nauugnay sa field bus at mas mababang antas ng pang-industriyang network. Kadalasan ang mga terminong ito ay pinagsama sa isang solong hindi malinaw na konsepto na tinatawag na "lower level", na tinutukoy bilang parehong fieldbus at sublevel na bus, bagama't maaaring hindi ito isang bus.
Bakit na?Ang pagkalito na ito ay malamang dahil sa katotohanan na sa maraming modernong controllers, ang koneksyon ng I/O modules ay madalas na ipinapatupad gamit ang isang backplane o isang pisikal na bus. Iyon ay, ang ilang mga contact at konektor ng bus ay ginagamit upang pagsamahin ang ilang mga module sa isang solong yunit. Ngunit ang mga naturang node, sa turn, ay maaaring magkakaugnay ng parehong pang-industriya na network at isang field bus. Sa Western terminolohiya mayroong isang malinaw na dibisyon: ang network ay isang network, ang bus ay isang bus. Ang una ay itinalaga ng terminong Industrial Ethernet, ang pangalawa ay Fieldbus. Iminumungkahi ng artikulo na gamitin ang terminong "industrial network" at ang terminong "field bus" para sa mga konseptong ito, ayon sa pagkakabanggit.
Industrial network standard na EtherCAT, na binuo ni Beckhoff
Ang protocol ng EtherCAT at pang-industriya na network ay marahil ang isa sa pinakamabilis na paraan ng paghahatid ng data sa mga sistema ng automation ngayon. Matagumpay na ginagamit ang EtherCAT network sa mga distributed automation system, kung saan ang mga nakikipag-ugnayan na node ay pinaghihiwalay sa malalayong distansya.
Gumagamit ang EtherCAT protocol ng mga standard na Ethernet frame upang magpadala ng mga telegrama nito, kaya nananatili itong tugma sa anumang karaniwang kagamitan sa Ethernet at, sa katunayan, ang pagtanggap at paghahatid ng data ay maaaring isaayos sa anumang Ethernet controller, basta't available ang naaangkop na software.
Beckhoff controller na may set ng I/O modules. Pinagmulan:
Ang detalye ng protocol ay bukas at magagamit, ngunit sa loob lamang ng balangkas ng development association - EtherCAT Technology Group.
Narito kung paano gumagana ang EtherCAT (ang palabas ay nakakabighani, tulad ng larong Zuma Inca):
Ang mataas na bilis ng palitan sa protocol na ito - at maaari nating pag-usapan ang tungkol sa mga yunit ng microseconds - ay natanto dahil sa ang katunayan na ang mga developer ay tumanggi na makipagpalitan gamit ang mga telegrama na direktang ipinadala sa isang partikular na aparato. Sa halip, isang telegrama ang ipinadala sa network ng EtherCAT, na naka-address sa lahat ng mga device nang sabay-sabay, ang bawat isa sa mga node ng alipin para sa pagkolekta at pagpapadala ng impormasyon (madalas din silang tinatawag na OSO - object communication device) ay kumukuha mula dito "on the fly" ang data na inilaan para dito at inilalagay sa isang telegrama ang data na handa niyang ibigay para sa palitan. Ipapadala ang telegrama sa susunod na slave node, kung saan nagaganap ang parehong operasyon. Nang dumaan sa lahat ng mga control device, ang telegram ay ibinalik sa pangunahing controller, na, batay sa data na natanggap mula sa mga alipin na device, ay nagpapatupad ng control logic, muling nakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng telegram sa mga slave node, na naglalabas ng isang control signal sa ang kagamitan.
Ang isang EtherCAT network ay maaaring magkaroon ng anumang topology, ngunit sa esensya ito ay palaging isang singsing - dahil sa paggamit ng full duplex mode at dalawang Ethernet connector. Sa ganitong paraan, ang telegram ay palaging ipapadala nang sunud-sunod sa bawat device sa bus.
Schematic na representasyon ng isang Ethercat network na may maraming node. Pinagmulan:
Sa pamamagitan ng paraan, ang detalye ng EtherCAT ay hindi naglalaman ng mga paghihigpit sa 100Base-TX pisikal na layer, kaya ang pagpapatupad ng protocol ay posible batay sa gigabit at optical na mga linya.
Buksan ang mga pang-industriyang network at mga pamantayan ng PROFIBUS/NET mula sa Siemens
Ang alalahanin ng Aleman na Siemens ay matagal nang kilala para sa mga programmable logic controllers (PLCs), na ginagamit sa buong mundo.
Ang pagpapalitan ng data sa pagitan ng mga node ng isang automated system na kinokontrol ng Siemens equipment ay isinasagawa kapwa sa pamamagitan ng field bus na tinatawag na PROFIBUS at sa PROFINET industrial network.
Gumagamit ang PROFIBUS bus ng isang espesyal na two-core cable na may mga konektor ng DB-9. Ang Siemens ay mayroon itong kulay lila, ngunit nakita namin ang iba sa pagsasanay :). Para ikonekta ang maraming node, maaaring ikonekta ng isang connector ang dalawang cable. Mayroon din itong switch para sa terminal risistor. Ang terminal risistor ay dapat na naka-on sa mga end device ng network, kaya nagpapahiwatig na ito ang una o huling device, at pagkatapos nito ay wala, tanging kadiliman at kawalan ng laman (lahat ng rs485s ay gumagana tulad nito). Kung i-on mo ang isang risistor sa intermediate connector, ang seksyong kasunod nito ay i-off.
PROFIBUS cable na may mga connecting connectors. Pinagmulan:
Gumagamit ang PROFINET network ng analogue twisted pair cable, kadalasang may RJ-45 connectors, kulay berde ang cable. Kung ang topology ng PROFIBUS ay isang bus, kung gayon ang topology ng PROFINET network ay maaaring maging anuman: isang singsing, isang bituin, isang puno, o lahat ng pinagsama.
Siemens controller na may konektadong PROFINET cable. Pinagmulan: w3.siemens.com
Mayroong ilang mga protocol ng komunikasyon sa PROFIBUS bus at sa PROFINET network.
Para sa PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - ang pagpapatupad ng protocol na ito ay nagsasangkot ng komunikasyon sa mga remote na aparato ng alipin; sa kaso ng PROFINET, ang protocol na ito ay tumutugma sa PROFINET IO protocol.
- Ang PROFIBUS PA ay halos kapareho ng PROFIBUS DP, ginagamit lamang para sa mga explosion-proof na bersyon ng paghahatid ng data at power supply (katulad ng PROFIBUS DP na may iba't ibang pisikal na katangian). Para sa PROFINET, wala pang explosion-proof na protocol na katulad ng PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS - idinisenyo para sa pagpapalitan ng data sa mga system mula sa iba pang mga tagagawa na hindi maaaring gumamit ng PROFIBUS DP. Ang PROFIBUS FMS analogue sa PROFINET network ay ang PROFINET CBA protocol.
Para sa PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Ang PROFINET IO protocol ay nahahati sa ilang mga klase:
- PROFINET NRT (non-real time) - ginagamit sa mga application kung saan hindi kritikal ang mga parameter ng timing. Ginagamit nito ang Ethernet TCP/IP data transfer protocol pati na rin ang UDP/IP.
- PROFINET RT (real time) - dito ipinapatupad ang I/O data exchange gamit ang Ethernet frames, ngunit inililipat pa rin ang diagnostic at communication data sa pamamagitan ng UDP/IP.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Ang protocol na ito ay partikular na binuo para sa mga motion control application at may kasamang isochronous na data transfer phase.
Tulad ng para sa pagpapatupad ng PROFINET IRT hard real-time na protocol, para sa mga komunikasyon sa mga malalayong device ay nakikilala nito ang dalawang exchange channel: isochronous at asynchronous. Ang isang isochronous na channel na may nakapirming haba ng ikot ng palitan ay gumagamit ng pag-synchronize ng orasan at nagpapadala ng data na kritikal sa oras; ginagamit ang mga pangalawang antas na telegrama para sa paghahatid. Ang tagal ng paghahatid sa isang isochronous channel ay hindi lalampas sa 1 millisecond.
Ang asynchronous na channel ay nagpapadala ng tinatawag na real-time na data, na tinutugunan din sa pamamagitan ng MAC address. Bukod pa rito, ang iba't ibang diagnostic at auxiliary na impormasyon ay ipinapadala sa TCP/IP. Ang alinman sa real-time na data, higit pa sa iba pang impormasyon, siyempre, ay hindi maaaring makagambala sa isochronous cycle.
Ang pinahabang hanay ng mga function ng PROFINET IO ay hindi kailangan para sa bawat sistema ng automation ng industriya, kaya ang protocol na ito ay na-scale para sa isang partikular na proyekto, na isinasaalang-alang ang mga klase sa pagsunod o mga klase ng pagsunod: CC-A, CC-B, CC-CC. Binibigyang-daan ka ng mga klase sa pagsunod na pumili ng mga field device at backbone na bahagi na may pinakamababang kinakailangang functionality.
Pinagmulan:
Ang pangalawang exchange protocol sa PROFINET network - PROFINET CBA - ay ginagamit upang ayusin ang pang-industriyang komunikasyon sa pagitan ng mga kagamitan mula sa iba't ibang mga tagagawa. Ang pangunahing yunit ng produksyon sa mga sistema ng IAS ay isang partikular na entity na tinatawag na isang bahagi. Ang bahaging ito ay karaniwang isang koleksyon ng mga mekanikal, elektrikal at elektronikong bahagi ng isang aparato o pag-install, pati na rin ang nauugnay na software ng application. Para sa bawat bahagi, isang software module ang pipiliin na naglalaman ng kumpletong paglalarawan ng interface ng bahaging ito alinsunod sa mga kinakailangan ng pamantayan ng PROFINET. Pagkatapos nito, ginagamit ang mga software module na ito upang makipagpalitan ng data sa mga device.
B&R Ethernet POWERLINK protocol
Ang Powerlink protocol ay binuo ng Austrian company na B&R noong unang bahagi ng 2000s. Ito ay isa pang pagpapatupad ng isang real-time na protocol sa itaas ng pamantayan ng Ethernet. Ang detalye ng protocol ay magagamit at malayang ipinamamahagi.
Gumagamit ang teknolohiya ng Powerlink ng tinatawag na mixed polling mechanism, kapag ang lahat ng interaksyon sa pagitan ng mga device ay nahahati sa ilang yugto. Ang partikular na kritikal na data ay ipinapadala sa isochronous exchange phase, kung saan ang kinakailangang oras ng pagtugon ay na-configure; ang natitirang data ay ipapadala, hangga't maaari, sa asynchronous phase.
B&R controller na may set ng I/O modules. Pinagmulan: br-automation.com
Ang protocol ay orihinal na ipinatupad sa ibabaw ng 100Base-TX na pisikal na layer, ngunit kalaunan ay nabuo ang isang gigabit na pagpapatupad.
Gumagamit ang Powerlink protocol ng mekanismo ng pag-iiskedyul ng komunikasyon. Ang isang tiyak na marker o mensahe ng kontrol ay ipinadala sa network, sa tulong kung saan natutukoy kung alin sa mga device ang kasalukuyang may pahintulot na makipagpalitan ng data. Isang device lang ang maaaring magkaroon ng access sa exchange sa isang pagkakataon.
Schematic na representasyon ng isang Ethernet POWERLINK network na may maraming node.
Sa isochronous phase, ang polling controller ay sunud-sunod na nagpapadala ng kahilingan sa bawat node kung saan kailangan nitong makatanggap ng kritikal na data.
Ang isochronous phase ay ginaganap, tulad ng nabanggit na, na may isang adjustable cycle time. Sa asynchronous phase ng exchange, ang IP protocol stack ay ginagamit, ang controller ay humihiling ng hindi kritikal na data mula sa lahat ng mga node, na nagpapadala ng tugon habang sila ay nakakakuha ng access upang ipadala sa network. Ang ratio ng oras sa pagitan ng isochronous at asynchronous na mga phase ay maaaring i-adjust nang manu-mano.
Rockwell Automation Ethernet/IP Protocol
Ang EtherNet/IP protocol ay binuo na may aktibong partisipasyon ng American company na Rockwell Automation noong 2000. Ginagamit nito ang TCP at UDP IP stack, at pinapalawak ito para sa mga pang-industriyang aplikasyon ng automation. Ang ikalawang bahagi ng pangalan, salungat sa popular na paniniwala, ay hindi nangangahulugan ng Internet Protocol, ngunit Industrial Protocol. Ginagamit ng UDP IP ang stack ng komunikasyon ng CIP (Common Interface Protocol), na ginagamit din sa mga network ng ControlNet/DeviceNet at ipinapatupad sa itaas ng TCP/IP.
Ang detalye ng EtherNet/IP ay magagamit ng publiko at malayang magagamit. Ang Ethernet/IP network topology ay maaaring maging arbitrary at may kasamang ring, star, tree o bus.
Bilang karagdagan sa mga karaniwang function ng HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protocol, ipinapatupad nito ang paglipat ng data na kritikal sa oras sa pagitan ng polling controller at I/O device. Ang paghahatid ng data na hindi kritikal sa oras ay ibinibigay ng mga packet ng TCP, at ang paghahatid ng kritikal na oras ng data ng cyclic control ay isinasagawa sa pamamagitan ng protocol ng UDP.
Upang i-synchronize ang oras sa mga distributed system, ginagamit ng EtherNet/IP ang CIPsync protocol, na isang extension ng CIP communication protocol.
Schematic na representasyon ng isang Ethernet/IP network na may ilang mga node at koneksyon ng mga Modbus device. Pinagmulan:
Upang pasimplehin ang pag-setup ng EtherNet/IP network, karamihan sa mga karaniwang automation device ay may mga paunang natukoy na configuration file.
Pagpapatupad ng FBUS protocol sa Fastwel
Matagal naming pinag-isipan kung isasama ang kumpanyang Ruso na Fastwel sa listahang ito kasama ang lokal na pagpapatupad nito ng FBUS industrial protocol, ngunit pagkatapos ay nagpasya kaming magsulat ng ilang talata para sa isang mas mahusay na pag-unawa sa mga katotohanan ng pagpapalit ng pag-import.
Mayroong dalawang pisikal na pagpapatupad ng FBUS. Ang isa sa mga ito ay isang bus kung saan ang FBUS protocol ay tumatakbo sa ibabaw ng RS485 standard. Bilang karagdagan, mayroong isang pagpapatupad ng FBUS sa isang pang-industriyang Ethernet network.
Ang FBUS ay halos hindi matatawag na isang high-speed protocol; ang oras ng pagtugon ay lubos na nakadepende sa bilang ng mga I/O module sa bus at sa mga parameter ng palitan; karaniwan itong umaabot mula 0,5 hanggang 10 millisecond. Ang isang FBUS slave node ay maaari lamang maglaman ng 64 I/O modules. Para sa isang fieldbus, ang haba ng cable ay hindi maaaring lumampas sa 1 metro, kaya hindi namin pinag-uusapan ang mga distributed system. O sa halip, ginagawa nito, ngunit kapag gumagamit lamang ng pang-industriyang FBUS network sa TCP/IP, na nangangahulugan ng pagtaas ng oras ng botohan nang ilang beses. Maaaring gamitin ang mga bus extension cord para ikonekta ang mga module, na nagbibigay-daan para sa maginhawang paglalagay ng mga module sa automation cabinet.
Fastwel controller na may konektadong I/O modules. Pinagmulan:
Kabuuan: kung paano ginagamit ang lahat ng ito sa pagsasanay sa mga awtomatikong sistema ng kontrol sa proseso
Naturally, ang iba't ibang uri ng modernong pang-industriya na mga protocol ng paglilipat ng data ay mas malaki kaysa sa inilarawan namin sa artikulong ito. Ang ilan ay nakatali sa isang tiyak na tagagawa, ang ilan, sa kabaligtaran, ay pangkalahatan. Kapag bumubuo ng mga automated process control system (APCS), pinipili ng engineer ang pinakamainam na mga protocol, na isinasaalang-alang ang mga partikular na gawain at limitasyon (teknikal at badyet).
Kung pinag-uusapan natin ang paglaganap ng isang partikular na exchange protocol, maaari tayong magbigay ng diagram ng kumpanya HMS Networks AB, na naglalarawan ng mga bahagi sa merkado ng iba't ibang mga teknolohiya ng palitan sa mga pang-industriyang network.
Pinagmulan:
Tulad ng makikita sa diagram, ang PRONET at PROFIBUS mula sa Siemens ay sumasakop sa mga nangungunang posisyon.
Interestingly, 6 years ago .
Ang talahanayan sa ibaba ay naglalaman ng buod ng data sa mga inilarawang exchange protocol. Ang ilang mga parameter, halimbawa, pagganap, ay ipinahayag sa mga abstract na termino: mataas / mababa. Ang mga katumbas na numero ay matatagpuan sa mga artikulo ng pagsusuri sa pagganap.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Pisikal na layer
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Antas ng data
|
Channel (Ethernet frames)
|
Channel (Ethernet frames)
|
Channel (Ethernet frames), Network/transportasyon (TCP/IP)
|
Network/Transport(TCP/IP)
|
Network/Transport(TCP/IP)
|
|
Real time na suporta
|
Oo
|
Oo
|
Oo
|
Oo
|
Hindi
|
|
Pagiging Produktibo
|
Mataas
|
Mataas
|
IRT β mataas, RT β katamtaman
|
Karaniwan
|
Mababang
|
|
Haba ng cable sa pagitan ng mga node
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Mga yugto ng paglipat
|
Hindi
|
Isochronous + asynchronous
|
IRT β isochronous + asynchronous, RT β asynchronous
|
Hindi
|
Hindi
|
|
Bilang ng mga node
|
65535
|
240
|
Limitasyon sa TCP/IP Network
|
Limitasyon sa TCP/IP Network
|
Limitasyon sa TCP/IP Network
|
|
Resolusyon ng banggaan
|
Topology ng singsing
|
Pag-synchronize ng orasan, mga yugto ng paghahatid
|
Ring topology, mga yugto ng paghahatid
|
Mga switch, star topology
|
Mga switch, star topology
|
|
Mainit na pagpalit
|
Hindi
|
Oo
|
Oo
|
Oo
|
Depende sa pagpapatupad
|
|
Gastos ng kagamitan
|
Mababang
|
Mababang
|
Mataas
|
Karaniwan
|
Mababang
|
Ang mga lugar ng aplikasyon ng inilarawan na mga protocol ng palitan, mga fieldbus at mga pang-industriyang network ay napaka-magkakaibang. Mula sa industriya ng kemikal at sasakyan hanggang sa teknolohiya ng aerospace at pagmamanupaktura ng electronics. Ang mga high-speed exchange protocol ay in demand sa real-time na mga positioning system para sa iba't ibang device at sa robotics.
Anong mga protocol ang ginamit mo at saan mo ito inilapat? Ibahagi ang iyong karanasan sa mga komento. π
Pinagmulan: www.habr.com