endüstriyel otomasyonda bus ve protokollerin nasıl çalıştığını konuştuk. Bu sefer modern çalışma çözümlerine odaklanacağız: Dünya çapındaki sistemlerde hangi protokollerin kullanıldığına bakacağız. Alman şirketleri Beckhoff ve Siemens'in, Avusturyalı B&R'nin, Amerikan Rockwell Automation'un ve Rus Fastwel'in teknolojilerini ele alalım. Ayrıca EtherCAT ve CAN gibi belirli bir üreticiye bağlı olmayan evrensel çözümleri de inceleyeceğiz.
Yazının sonunda EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP ve ModbusTCP protokollerinin özelliklerini içeren bir karşılaştırma tablosu bulunacaktır.
PRP, HSR, OPC UA ve diğer protokolleri incelemeye dahil etmedik çünkü Habré'de endüstriyel otomasyon sistemleri geliştiren mühendis arkadaşlarımız tarafından yazılmış mükemmel makaleler zaten mevcut. Örneğin, и .
Öncelikle terminolojiyi tanımlayalım: Endüstriyel Ethernet = endüstriyel ağ, Fieldbus = field bus. Rusya endüstriyel otomasyonunda, saha veriyolu ve alt düzey endüstriyel ağ ile ilgili terimlerde kafa karışıklığı var. Çoğu zaman bu terimler, "alt seviye" adı verilen tek ve belirsiz bir kavram halinde birleştirilir; bu kavram, hem bir veriyolu hem de bir alt düzey veri yolu olarak anılır, ancak bu bir veri yolu olmayabilir.
Neden ki?Bu karışıklık büyük olasılıkla birçok modern kontrol cihazında G/Ç modüllerinin bağlantısının genellikle bir arka panel veya fiziksel veri yolu kullanılarak gerçekleştirilmesinden kaynaklanmaktadır. Yani, birkaç modülü tek bir ünitede birleştirmek için belirli veri yolu kontakları ve konektörler kullanılır. Ancak bu tür düğümler, hem endüstriyel ağ hem de alan veriyolu aracılığıyla birbirine bağlanabilir. Batı terminolojisinde açık bir ayrım vardır: ağ bir ağdır, otobüs ise otobüstür. Birincisi Endüstriyel Ethernet terimiyle, ikincisi ise Fieldbus terimiyle belirtilir. Makale bu kavramlar için sırasıyla “endüstriyel ağ” ve “field bus” terimlerinin kullanılmasını önermektedir.
Beckhoff tarafından geliştirilen endüstriyel ağ standardı EtherCAT
EtherCAT protokolü ve endüstriyel ağ, günümüzün otomasyon sistemlerinde belki de en hızlı veri aktarım yöntemlerinden biridir. EtherCAT ağı, etkileşimli düğümlerin uzun mesafelerde ayrıldığı dağıtılmış otomasyon sistemlerinde başarıyla kullanılmaktadır.
EtherCAT protokolü, telgraflarını iletmek için standart Ethernet çerçevelerini kullanır, böylece herhangi bir standart Ethernet ekipmanıyla uyumlu kalır ve aslında, uygun yazılımın mevcut olması koşuluyla, herhangi bir Ethernet denetleyicisinde veri alımı ve iletimi organize edilebilir.
Bir dizi I/O modülüne sahip Beckhoff kontrol cihazı. Kaynak:
Protokol spesifikasyonu açık ve mevcuttur, ancak yalnızca geliştirme birliği - EtherCAT Teknoloji Grubu çerçevesinde.
EtherCAT şu şekilde çalışıyor (görüntü büyüleyici, tıpkı Zuma Inca oyunu gibi):
Bu protokoldeki yüksek değişim hızı - ve mikrosaniye birimlerinden bahsedebiliriz - geliştiricilerin doğrudan belirli bir cihaza gönderilen telgrafları kullanarak alışveriş yapmayı reddetmeleri nedeniyle gerçekleşti. Bunun yerine, EtherCAT ağına aynı anda tüm cihazlara adreslenen bir telgraf gönderilir, bilgi toplamak ve iletmek için kullanılan köle düğümlerin her biri (bunlara genellikle OSO - nesne iletişim cihazı da denir) ondan "anında" alır. kendisi için amaçlanan verileri ve değişim için sağlamaya hazır olduğu verileri bir telgrafa ekler. Telgraf daha sonra aynı işlemin gerçekleştiği bir sonraki yardımcı düğüme gönderilir. Tüm kontrol cihazlarından geçtikten sonra telgraf, yardımcı cihazlardan alınan verilere dayanarak kontrol mantığını uygulayan ana denetleyiciye geri gönderilir ve yine telgraf aracılığıyla yardımcı düğümlerle etkileşime girerek bir kontrol sinyali yayınlar. ekipman.
Bir EtherCAT ağı herhangi bir topolojiye sahip olabilir, ancak tam çift yönlü modun ve iki Ethernet konektörünün kullanılması nedeniyle özünde her zaman bir halka olacaktır. Bu şekilde telgraf veri yolu üzerindeki her cihaza her zaman sıralı olarak iletilecektir.
Birden fazla düğüme sahip bir Ethercat ağının şematik gösterimi. Kaynak:
Bu arada, EtherCAT spesifikasyonu 100Base-TX fiziksel katmanına ilişkin kısıtlamalar içermiyor, dolayısıyla protokolün uygulanması gigabit ve optik hatlara dayalı olarak mümkün.
Siemens'ten açık endüstriyel ağlar ve PROFIBUS/NET standartları
Alman endişesi Siemens, uzun zamandır dünya çapında kullanılan programlanabilir mantık denetleyicileri (PLC'ler) ile tanınıyor.
Siemens ekipmanı tarafından kontrol edilen otomatik bir sistemin düğümleri arasındaki veri alışverişi, hem PROFIBUS adı verilen bir veri yolu üzerinden hem de PROFINET endüstriyel ağında gerçekleştirilir.
PROFIBUS veri yolu, DB-9 konektörlerine sahip iki çekirdekli özel bir kablo kullanır. Siemens'in mor rengi var ama diğerlerini de pratikte gördük :). Birden fazla düğümü bağlamak için bir konnektör iki kabloyu bağlayabilir. Ayrıca terminal direnci için bir anahtara sahiptir. Ağın uç cihazlarında terminal direncinin açılması gerekir, bu da bunun ilk veya son cihaz olduğunu ve ondan sonra hiçbir şeyin olmadığını, yalnızca karanlık ve boşluğun olduğunu gösterir (tüm rs485'ler bu şekilde çalışır). Ara konnektör üzerindeki bir direnci açarsanız onu takip eden bölüm kapanacaktır.
Bağlantı konnektörlü PROFIBUS kablosu. Kaynak:
PROFINET ağı, genellikle RJ-45 konnektörlü analog bükümlü çift kablo kullanır, kablo yeşil renktedir. PROFIBUS'un topolojisi bir veri yolu ise PROFINET ağının topolojisi herhangi bir şey olabilir: bir halka, bir yıldız, bir ağaç veya her şeyin birleşimi.
Bağlı PROFINET kablosuyla Siemens kontrol cihazı. Kaynak: w3.siemens.com
PROFIBUS veriyolunda ve PROFINET ağında çeşitli iletişim protokolleri vardır.
PROFIBUS için:
- PROFIBUS DP - bu protokolün uygulanması uzak bağımlı cihazlarla iletişimi içerir; PROFINET durumunda bu protokol PROFINET IO protokolüne karşılık gelir.
- PROFIBUS PA esas olarak PROFIBUS DP ile aynıdır, yalnızca veri iletimi ve güç kaynağının patlamaya dayanıklı versiyonları için kullanılır (farklı fiziksel özelliklere sahip PROFIBUS DP'ye benzer). PROFINET için PROFIBUS'a benzer patlamaya dayanıklı bir protokol henüz mevcut değildir.
- PROFIBUS FMS - PROFIBUS DP kullanamayan diğer üreticilerin sistemleriyle veri alışverişi için tasarlanmıştır. PROFINET ağındaki PROFIBUS FMS analogu PROFINET CBA protokolüdür.
PROFINET için:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
PROFINET IO protokolü birkaç sınıfa ayrılmıştır:
- PROFINET NRT (gerçek zamanlı olmayan) - zamanlama parametrelerinin kritik olmadığı uygulamalarda kullanılır. UDP/IP'nin yanı sıra Ethernet TCP/IP veri aktarım protokolünü kullanır.
- PROFINET RT (gerçek zamanlı) - burada G/Ç veri alışverişi Ethernet çerçeveleri kullanılarak gerçekleştirilir, ancak teşhis ve iletişim verileri yine de UDP/IP aracılığıyla aktarılır.
- PROFINET IRT (Eşizamanlı Gerçek Zamanlı) - Bu protokol özellikle hareket kontrolü uygulamaları için geliştirilmiştir ve sabit zamanlı bir veri aktarım aşamasını içerir.
PROFINET IRT gerçek zamanlı protokolünün uygulanmasına gelince, uzak cihazlarla iletişim için iki değişim kanalına ayrılır: eş zamanlı ve eş zamanlı olmayan. Sabit değişim döngüsü uzunluğuna sahip eş zamanlı bir kanal, saat senkronizasyonunu kullanır ve zaman açısından kritik verileri iletir; iletim için ikinci seviye telgraflar kullanılır. Eşzamanlı bir kanalda iletim süresi 1 milisaniyeyi geçmez.
Asenkron kanal, aynı zamanda bir MAC adresi aracılığıyla da adreslenen gerçek zamanlı veriler olarak adlandırılan verileri iletir. Ayrıca TCP/IP üzerinden çeşitli teşhis ve yardımcı bilgiler iletilir. Ne gerçek zamanlı veriler, ne de diğer bilgiler elbette eş zamanlı döngüyü kesintiye uğratamaz.
Genişletilmiş PROFINET IO fonksiyonları seti her endüstriyel otomasyon sistemi için gerekli değildir, dolayısıyla bu protokol uyumluluk sınıfları veya uyumluluk sınıfları dikkate alınarak belirli bir proje için ölçeklendirilir: CC-A, CC-B, CC-CC. Uyumluluk sınıfları, gerekli minimum işlevselliğe sahip saha cihazlarını ve omurga bileşenlerini seçmenize olanak tanır.
Kaynak:
PROFINET ağındaki ikinci değişim protokolü - PROFINET CBA - farklı üreticilerin ekipmanları arasındaki endüstriyel iletişimi düzenlemek için kullanılır. IAS sistemlerindeki ana üretim birimi, bileşen adı verilen belirli bir varlıktır. Bu bileşen genellikle bir cihazın veya kurulumun mekanik, elektrikli ve elektronik parçalarının yanı sıra ilgili uygulama yazılımının bir koleksiyonudur. Her bileşen için, PROFINET standardının gerekliliklerine uygun olarak bu bileşenin arayüzünün tam açıklamasını içeren bir yazılım modülü seçilir. Daha sonra bu yazılım modülleri cihazlarla veri alışverişinde bulunmak için kullanılır.
B&R Ethernet POWERLINK protokolü
Powerlink protokolü Avusturyalı B&R şirketi tarafından 2000'li yılların başında geliştirildi. Bu, Ethernet standardının üstünde gerçek zamanlı bir protokolün başka bir uygulamasıdır. Protokol spesifikasyonu serbestçe mevcuttur ve dağıtılır.
Powerlink teknolojisi, cihazlar arasındaki tüm etkileşimin birkaç aşamaya bölündüğü karma yoklama mekanizması olarak adlandırılan bir mekanizmayı kullanır. Özellikle kritik veriler, gerekli yanıt süresinin yapılandırıldığı eş zamanlı değişim aşamasında iletilir; geri kalan veriler, mümkün olduğunda, eş zamanlı olmayan aşamada iletilecektir.
Bir dizi G/Ç modülüne sahip B&R denetleyici. Kaynak: br-automation.com
Protokol başlangıçta 100Base-TX fiziksel katmanının üzerinde uygulandı, ancak daha sonra bir gigabit uygulaması geliştirildi.
Powerlink protokolü bir iletişim planlama mekanizması kullanır. Ağa, hangi cihazların şu anda veri alışverişi yapma iznine sahip olduğunun belirlendiği belirli bir işaretleyici veya kontrol mesajı gönderilir. Aynı anda yalnızca bir cihazın santrale erişimi olabilir.
Birden fazla düğüme sahip bir Ethernet POWERLINK ağının şematik gösterimi.
Eşzamanlı aşamada yoklama denetleyicisi, kritik verileri alması gereken her düğüme sırayla bir istek gönderir.
Eşzamanlı faz, daha önce de belirtildiği gibi, ayarlanabilir bir çevrim süresiyle gerçekleştirilir. Değişimin eşzamansız aşamasında, IP protokol yığını kullanılır; denetleyici, ağa iletim için erişim kazandıkça bir yanıt gönderen tüm düğümlerden kritik olmayan veriler ister. Eş zamanlı ve eş zamanlı olmayan fazlar arasındaki zaman oranı manuel olarak ayarlanabilir.
Rockwell Automation Ethernet/IP Protokolü
EtherNet/IP protokolü, 2000 yılında Amerikan Rockwell Automation şirketinin aktif katılımıyla geliştirildi. TCP ve UDP IP yığınını kullanır ve endüstriyel otomasyon uygulamaları için genişletir. İsmin ikinci kısmı sanılanın aksine İnternet Protokolü değil Endüstriyel Protokol anlamına gelmektedir. UDP IP, ControlNet/DeviceNet ağlarında da kullanılan ve TCP/IP'nin üzerinde uygulanan CIP (Ortak Arayüz Protokolü) iletişim yığınını kullanır.
EtherNet/IP spesifikasyonu kamuya açık ve ücretsiz olarak mevcuttur. Ethernet/IP ağ topolojisi isteğe bağlı olabilir ve halka, yıldız, ağaç veya veri yolunu içerebilir.
HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokollerinin standart fonksiyonlarına ek olarak yoklama kontrolörü ile I/O cihazları arasında zaman açısından kritik verilerin aktarımını gerçekleştirir. Zaman açısından kritik olmayan verilerin iletimi TCP paketleri tarafından sağlanır ve döngüsel kontrol verilerinin zaman açısından kritik teslimi UDP protokolü aracılığıyla gerçekleştirilir.
Dağıtılmış sistemlerde zamanı senkronize etmek için EtherNet/IP, CIP iletişim protokolünün bir uzantısı olan CIPsync protokolünü kullanır.
Çeşitli düğümlere ve Modbus cihazlarının bağlantısına sahip bir Ethernet/IP ağının şematik gösterimi. Kaynak:
EtherNet/IP ağ kurulumunu basitleştirmek için çoğu standart otomasyon cihazı önceden tanımlanmış yapılandırma dosyalarıyla birlikte gelir.
Fastwel'de FBUS protokolünün uygulanması
FBUS endüstriyel protokolünü yurt içinde uygulamasıyla Rus şirketi Fastwel'i bu listeye dahil edip etmeyeceğimizi uzun süre düşündük, ancak daha sonra ithal ikamesinin gerçeklerini daha iyi anlamak için birkaç paragraf yazmaya karar verdik.
FBUS'un iki fiziksel uygulaması vardır. Bunlardan biri, FBUS protokolünün RS485 standardının üzerinde çalıştığı bir veri yoludur. Ayrıca endüstriyel Ethernet ağında FBUS uygulaması mevcuttur.
FBUS'un yüksek hızlı bir protokol olarak adlandırılması pek mümkün değildir; yanıt süresi büyük ölçüde veri yolu üzerindeki I/O modüllerinin sayısına ve değişim parametrelerine bağlıdır; genellikle 0,5 ila 10 milisaniye arasında değişir. Bir FBUS bağımlı düğümü yalnızca 64 G/Ç modülü içerebilir. Fieldbus için kablo uzunluğu 1 metreyi geçemez, dolayısıyla dağıtılmış sistemlerden bahsetmiyoruz. Daha doğrusu öyledir, ancak yalnızca TCP/IP üzerinden endüstriyel bir FBUS ağı kullanıldığında, bu da yoklama süresinin birkaç kat artması anlamına gelir. Modülleri bağlamak için veri yolu uzatma kabloları kullanılabilir, bu da modüllerin otomasyon kabinine uygun şekilde yerleştirilmesine olanak tanır.
Bağlı G/Ç modüllerine sahip Fastwel kontrol cihazı. Kaynak:
Toplam: tüm bunlar otomatik proses kontrol sistemlerinde pratikte nasıl kullanılıyor?
Doğal olarak modern endüstriyel veri aktarım protokollerinin çeşitliliği bu makalede anlattığımızdan çok daha fazladır. Bazıları belirli bir üreticiye bağlıdır, bazıları ise tam tersine evrenseldir. Otomatik proses kontrol sistemlerini (APCS) geliştirirken mühendis, belirli görevleri ve sınırlamaları (teknik ve bütçesel) dikkate alarak en uygun protokolleri seçer.
Belirli bir değişim protokolünün yaygınlığından bahsedersek şirketin bir diyagramını sunabiliriz. HMS Ağları ABEndüstriyel ağlardaki çeşitli değişim teknolojilerinin pazar paylarını gösteren tablo.
Kaynak:
Diyagramda görülebileceği gibi Siemens'in PRONET ve PROFIBUS'u lider konumdadır.
İlginç bir şekilde 6 yıl önce .
Aşağıdaki tablo açıklanan değişim protokollerine ilişkin özet verileri içermektedir. Performans gibi bazı parametreler soyut terimlerle ifade edilir: yüksek / düşük. Performans analizi makalelerinde sayısal eşdeğerleri bulunabilir.
|
|
EterCAT
|
GÜÇ BAĞLANTISI
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fiziksel katman
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Veri düzeyi
|
Kanal (Ethernet çerçeveleri)
|
Kanal (Ethernet çerçeveleri)
|
Kanal (Ethernet çerçeveleri), Ağ/aktarım (TCP/IP)
|
Ağ/Ulaşım(TCP/IP)
|
Ağ/Ulaşım(TCP/IP)
|
|
Gerçek zamanlı destek
|
Evet
|
Evet
|
Evet
|
Evet
|
Hayır
|
|
Proizvoditelnost
|
Yüksek
|
Yüksek
|
IRT – yüksek, RT – orta
|
Ortalama
|
düşük
|
|
Düğümler arasındaki kablo uzunluğu
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Transfer aşamaları
|
Hayır
|
Eşzamanlı + asenkron
|
IRT – eş zamanlı + eşzamansız, RT – eşzamansız
|
Hayır
|
Hayır
|
|
Düğüm sayısı
|
65535
|
240
|
TCP/IP Ağ Sınırlaması
|
TCP/IP Ağ Sınırlaması
|
TCP/IP Ağ Sınırlaması
|
|
Çarpışma çözünürlüğü
|
Halka topolojisi
|
Saat senkronizasyonu, iletim aşamaları
|
Halka topolojisi, iletim aşamaları
|
Anahtarlar, yıldız topolojisi
|
Anahtarlar, yıldız topolojisi
|
|
Çalışırken değiştirilebilir
|
Hayır
|
Evet
|
Evet
|
Evet
|
Uygulamaya bağlı olarak
|
|
Ekipman maliyeti
|
düşük
|
düşük
|
Yüksek
|
Ortalama
|
düşük
|
Açıklanan değişim protokollerinin, endüstriyel ağların ve endüstriyel ağların uygulama alanları çok çeşitlidir. Kimya ve otomotiv endüstrilerinden havacılık ve uzay teknolojisi ve elektronik üretimine kadar. Yüksek hızlı değişim protokolleri, çeşitli cihazlar için gerçek zamanlı konumlandırma sistemlerinde ve robotikte talep görmektedir.
Hangi protokollerle çalıştınız ve bunları nerede uyguladınız? Deneyimlerinizi yorumlarda paylaşın. 🙂
Kaynak: habr.com