chúng tôi đã nói về cách hoạt động của bus và giao thức trong tự động hóa công nghiệp. Lần này chúng ta sẽ tập trung vào các giải pháp làm việc hiện đại: chúng ta sẽ xem xét những giao thức nào được sử dụng trong các hệ thống trên khắp thế giới. Hãy xem xét công nghệ của các công ty Beckhoff và Siemens của Đức, B&R của Áo, Rockwell Automation của Mỹ và Fastwel của Nga. Chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu các giải pháp phổ quát không bị ràng buộc với một nhà sản xuất cụ thể, chẳng hạn như EtherCAT và CAN.
Cuối bài viết sẽ có bảng so sánh đặc điểm của các giao thức EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP và ModbusTCP.
Chúng tôi không đưa PRP, HSR, OPC UA và các giao thức khác vào đánh giá, bởi vì Đã có những bài viết xuất sắc về chúng trên Habré của các kỹ sư đồng nghiệp của chúng tôi, những người đang phát triển hệ thống tự động hóa công nghiệp. Ví dụ, и .
Đầu tiên, hãy xác định thuật ngữ: Ethernet công nghiệp = mạng công nghiệp, Fieldbus = bus trường. Trong tự động hóa công nghiệp của Nga, có sự nhầm lẫn về các thuật ngữ liên quan đến bus hiện trường và mạng công nghiệp cấp thấp hơn. Thông thường, những thuật ngữ này được kết hợp thành một khái niệm mơ hồ, duy nhất được gọi là "cấp thấp hơn", được gọi là cả bus trường và bus cấp dưới, mặc dù nó có thể không phải là bus nào cả.
Tại sao vậy?Sự nhầm lẫn này rất có thể là do trong nhiều bộ điều khiển hiện đại, việc kết nối các mô-đun I/O thường được thực hiện bằng bảng nối đa năng hoặc bus vật lý. Nghĩa là, các tiếp điểm và đầu nối bus nhất định được sử dụng để kết hợp nhiều mô-đun thành một khối duy nhất. Nhưng đến lượt mình, các nút như vậy có thể được kết nối với nhau bằng cả mạng công nghiệp và xe buýt hiện trường. Trong thuật ngữ phương Tây có sự phân chia rõ ràng: mạng là mạng, xe buýt là xe buýt. Cái đầu tiên được chỉ định bằng thuật ngữ Ethernet công nghiệp, cái thứ hai là Fieldbus. Bài báo đề xuất sử dụng thuật ngữ “mạng công nghiệp” và thuật ngữ “bus trường” tương ứng cho các khái niệm này.
Tiêu chuẩn mạng công nghiệp EtherCAT, được phát triển bởi Beckhoff
Giao thức EtherCAT và mạng công nghiệp có lẽ là một trong những phương pháp truyền dữ liệu nhanh nhất trong các hệ thống tự động hóa hiện nay. Mạng EtherCAT được sử dụng thành công trong các hệ thống tự động hóa phân tán, trong đó các nút tương tác được phân tách trên một khoảng cách dài.
Giao thức EtherCAT sử dụng các khung Ethernet tiêu chuẩn để truyền các điện tín của nó, do đó, nó vẫn tương thích với mọi thiết bị Ethernet tiêu chuẩn và trên thực tế, việc nhận và truyền dữ liệu có thể được tổ chức trên bất kỳ bộ điều khiển Ethernet nào, miễn là có sẵn phần mềm thích hợp.
Bộ điều khiển Beckhoff với một bộ mô-đun I/O. Nguồn:
Đặc tả giao thức là mở và có sẵn, nhưng chỉ trong khuôn khổ hiệp hội phát triển - Tập đoàn Công nghệ EtherCAT.
Đây là cách EtherCAT hoạt động (cảnh tượng thật mê hoặc, giống như trò chơi Zuma Inca):
Tốc độ trao đổi cao trong giao thức này - và chúng ta có thể nói về đơn vị micro giây - được thực hiện do các nhà phát triển từ chối trao đổi bằng cách sử dụng điện tín được gửi trực tiếp đến một thiết bị cụ thể. Thay vào đó, một bức điện được gửi đến mạng EtherCAT, gửi đến tất cả các thiết bị cùng lúc, mỗi nút nô lệ để thu thập và truyền thông tin (chúng còn thường được gọi là OSO - thiết bị liên lạc đối tượng) sẽ được lấy từ nó một cách “nhanh chóng” dữ liệu dành cho nó và chèn vào một bức điện tín dữ liệu mà anh ta sẵn sàng cung cấp để trao đổi. Sau đó, điện tín sẽ được gửi đến nút nô lệ tiếp theo, nơi diễn ra hoạt động tương tự. Sau khi đi qua tất cả các thiết bị điều khiển, điện tín sẽ được trả về bộ điều khiển chính, dựa trên dữ liệu nhận được từ các thiết bị phụ, thực hiện logic điều khiển, một lần nữa tương tác qua điện tín với các nút phụ, phát tín hiệu điều khiển tới thiết bị.
Mạng EtherCAT có thể có bất kỳ cấu trúc liên kết nào, nhưng về bản chất, nó sẽ luôn là một vòng - do sử dụng chế độ song công hoàn toàn và hai đầu nối Ethernet. Bằng cách này, điện tín sẽ luôn được truyền tuần tự đến từng thiết bị trên xe buýt.
Sơ đồ biểu diễn mạng Ethercat với nhiều nút. Nguồn:
Nhân tiện, thông số kỹ thuật EtherCAT không chứa các hạn chế đối với lớp vật lý 100Base-TX, do đó, việc triển khai giao thức có thể dựa trên đường gigabit và quang.
Mạng công nghiệp mở và tiêu chuẩn PROFIBUS/NET của Siemens
Mối quan tâm của người Đức Siemens từ lâu đã nổi tiếng với các bộ điều khiển logic khả trình (PLC), được sử dụng trên toàn thế giới.
Việc trao đổi dữ liệu giữa các nút của hệ thống tự động được điều khiển bởi thiết bị của Siemens được thực hiện thông qua bus trường có tên PROFIBUS và trong mạng công nghiệp PROFINET.
Bus PROFIBUS sử dụng cáp hai lõi đặc biệt với đầu nối DB-9. Siemens có nó màu tím, nhưng chúng tôi đã thấy những cái khác trên thực tế :). Để kết nối nhiều nút, một đầu nối có thể kết nối hai dây cáp. Nó cũng có một công tắc cho điện trở đầu cuối. Điện trở đầu cuối phải được bật ở các thiết bị cuối của mạng, như vậy cho biết đây là thiết bị đầu tiên hoặc cuối cùng, sau đó không có gì, chỉ có bóng tối và sự trống rỗng (tất cả các rs485 đều hoạt động như thế này). Nếu bạn bật một điện trở trên đầu nối trung gian, phần tiếp theo nó sẽ bị tắt.
Cáp PROFIBUS có đầu nối kết nối. Nguồn:
Mạng PROFINET sử dụng cáp xoắn đôi analog, thường có đầu nối RJ-45, cáp có màu xanh lục. Nếu cấu trúc liên kết của PROFIBUS là một bus thì cấu trúc liên kết của mạng PROFINET có thể là bất cứ thứ gì: một chiếc nhẫn, một ngôi sao, một cái cây hoặc mọi thứ kết hợp lại.
Bộ điều khiển Siemens với cáp PROFINET được kết nối. Nguồn: w3.siemens.com
Có một số giao thức truyền thông trên bus PROFIBUS và trong mạng PROFINET.
Đối với PROFIBUS:
- PROFIBUS DP - việc triển khai giao thức này liên quan đến giao tiếp với các thiết bị nô lệ từ xa; trong trường hợp PROFINET, giao thức này tương ứng với giao thức PROFINET IO.
- PROFIBUS PA về cơ bản giống như PROFIBUS DP, chỉ được sử dụng cho các phiên bản chống cháy nổ của truyền dữ liệu và cấp nguồn (tương tự PROFIBUS DP với các đặc tính vật lý khác nhau). Đối với PROFINET, giao thức chống cháy nổ tương tự PROFIBUS chưa tồn tại.
- PROFIBUS FMS - được thiết kế để trao đổi dữ liệu với các hệ thống của các nhà sản xuất khác không thể sử dụng PROFIBUS DP. Tương tự PROFIBUS FMS trong mạng PROFINET là giao thức PROFINET CBA.
Đối với PROFINET:
- HỒ SƠ IO;
- CBA PROFINET.
Giao thức PROFINET IO được chia thành nhiều lớp:
- PROFINET NRT (không phải thời gian thực) - được sử dụng trong các ứng dụng trong đó các tham số thời gian không quan trọng. Nó sử dụng giao thức truyền dữ liệu Ethernet TCP/IP cũng như UDP/IP.
- PROFINET RT (thời gian thực) - ở đây việc trao đổi dữ liệu I/O được triển khai bằng khung Ethernet, nhưng dữ liệu chẩn đoán và liên lạc vẫn được truyền qua UDP/IP.
- PROFINET IRT (Thời gian thực đẳng thời gian) - Giao thức này được phát triển riêng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động và bao gồm giai đoạn truyền dữ liệu đẳng thời.
Đối với việc triển khai giao thức thời gian thực cứng PROFINET IRT, để liên lạc với các thiết bị từ xa, nó phân biệt hai kênh trao đổi: đẳng thời gian và không đồng bộ. Kênh đẳng thời có độ dài chu kỳ trao đổi cố định sử dụng đồng bộ hóa đồng hồ và truyền dữ liệu quan trọng về thời gian; điện tín cấp hai được sử dụng để truyền. Thời lượng truyền trong kênh đẳng thời không vượt quá 1 mili giây.
Kênh không đồng bộ truyền cái gọi là dữ liệu thời gian thực, dữ liệu này cũng được xử lý thông qua địa chỉ MAC. Ngoài ra, nhiều thông tin chẩn đoán và phụ trợ khác nhau được truyền qua TCP/IP. Tất nhiên, cả dữ liệu thời gian thực và các thông tin khác đều không thể làm gián đoạn chu kỳ đẳng thời.
Bộ chức năng PROFINET IO mở rộng không cần thiết cho mọi hệ thống tự động hóa công nghiệp, vì vậy giao thức này được điều chỉnh quy mô cho một dự án cụ thể, có tính đến các lớp tuân thủ hoặc các lớp tuân thủ: CC-A, CC-B, CC-CC. Các lớp tuân thủ cho phép bạn chọn các thiết bị hiện trường và các thành phần đường trục có chức năng được yêu cầu tối thiểu.
Nguồn:
Giao thức trao đổi thứ hai trong mạng PROFINET - PROFINET CBA - được sử dụng để tổ chức liên lạc công nghiệp giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Đơn vị sản xuất chính trong hệ thống IAS là một thực thể nhất định được gọi là thành phần. Thành phần này thường là tập hợp các bộ phận cơ, điện và điện tử của thiết bị hoặc hệ thống lắp đặt cũng như phần mềm ứng dụng liên quan. Đối với mỗi thành phần, một mô-đun phần mềm được chọn có chứa mô tả đầy đủ về giao diện của thành phần này phù hợp với các yêu cầu của tiêu chuẩn PROFINET. Sau đó các mô-đun phần mềm này được sử dụng để trao đổi dữ liệu với các thiết bị.
Giao thức B&R Ethernet POWERLINK
Giao thức Powerlink được phát triển bởi công ty B&R của Áo vào đầu những năm 2000. Đây là một triển khai khác của giao thức thời gian thực dựa trên tiêu chuẩn Ethernet. Đặc tả giao thức có sẵn và được phân phối miễn phí.
Công nghệ Powerlink sử dụng cái gọi là cơ chế bỏ phiếu hỗn hợp, khi mọi tương tác giữa các thiết bị được chia thành nhiều giai đoạn. Dữ liệu đặc biệt quan trọng được truyền trong giai đoạn trao đổi đẳng thời, trong đó thời gian phản hồi cần thiết được định cấu hình; dữ liệu còn lại sẽ được truyền đi, bất cứ khi nào có thể, trong giai đoạn không đồng bộ.
Bộ điều khiển B&R với một bộ mô-đun I/O. Nguồn: br-automation.com
Giao thức ban đầu được triển khai trên lớp vật lý 100Base-TX, nhưng sau đó việc triển khai gigabit đã được phát triển.
Giao thức Powerlink sử dụng cơ chế lập lịch truyền thông. Một thông báo đánh dấu hoặc điều khiển nhất định được gửi tới mạng, với sự trợ giúp của nó sẽ xác định thiết bị nào hiện có quyền trao đổi dữ liệu. Mỗi lần chỉ có một thiết bị có thể có quyền truy cập vào sàn giao dịch.
Sơ đồ biểu diễn mạng Ethernet POWERLINK với nhiều nút.
Trong giai đoạn đẳng thời gian, bộ điều khiển thăm dò tuần tự gửi yêu cầu đến từng nút mà nó cần nhận dữ liệu quan trọng.
Giai đoạn đẳng thời gian được thực hiện, như đã đề cập, với thời gian chu kỳ có thể điều chỉnh được. Trong giai đoạn trao đổi không đồng bộ, ngăn xếp giao thức IP được sử dụng, bộ điều khiển yêu cầu dữ liệu không quan trọng từ tất cả các nút, gửi phản hồi khi chúng có quyền truy cập để truyền vào mạng. Tỷ lệ thời gian giữa các pha đẳng thời và không đồng bộ có thể được điều chỉnh thủ công.
Giao thức Ethernet/IP tự động hóa Rockwell
Giao thức EtherNet/IP được phát triển với sự tham gia tích cực của công ty Rockwell Automation của Mỹ vào năm 2000. Nó sử dụng ngăn xếp IP TCP và UDP, đồng thời mở rộng nó cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Phần thứ hai của tên, trái với niềm tin phổ biến, không có nghĩa là Giao thức Internet, mà là Giao thức Công nghiệp. IP UDP sử dụng ngăn xếp truyền thông CIP (Giao thức giao diện chung), ngăn xếp này cũng được sử dụng trong mạng ControlNet/DeviceNet và được triển khai trên TCP/IP.
Đặc tả EtherNet/IP được cung cấp công khai và miễn phí. Cấu trúc liên kết mạng Ethernet/IP có thể tùy ý và bao gồm vòng, hình sao, cây hoặc bus.
Ngoài các chức năng tiêu chuẩn của các giao thức HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, nó còn thực hiện truyền dữ liệu quan trọng về thời gian giữa bộ điều khiển hỏi vòng và các thiết bị I/O. Việc truyền dữ liệu không quan trọng về thời gian được cung cấp bởi các gói TCP và việc phân phối dữ liệu điều khiển tuần hoàn quan trọng về thời gian được thực hiện thông qua giao thức UDP.
Để đồng bộ hóa thời gian trong các hệ thống phân tán, EtherNet/IP sử dụng giao thức CIPsync, đây là một phần mở rộng của giao thức truyền thông CIP.
Sơ đồ biểu diễn mạng Ethernet/IP với một số nút và kết nối của các thiết bị Modbus. Nguồn:
Để đơn giản hóa việc thiết lập mạng EtherNet/IP, hầu hết các thiết bị tự động hóa tiêu chuẩn đều có các tệp cấu hình được xác định trước.
Triển khai giao thức FBUS tại Fastwel
Chúng tôi đã suy nghĩ rất lâu về việc có nên đưa công ty Fastwel của Nga vào danh sách này với việc triển khai giao thức công nghiệp FBUS trong nước hay không, nhưng sau đó chúng tôi quyết định viết một vài đoạn để hiểu rõ hơn về thực tế của việc thay thế nhập khẩu.
Có hai cách triển khai vật lý của FBUS. Một trong số đó là bus trong đó giao thức FBUS chạy trên tiêu chuẩn RS485. Ngoài ra, còn có việc triển khai FBUS trong mạng Ethernet công nghiệp.
FBUS khó có thể được gọi là giao thức tốc độ cao; thời gian phản hồi phụ thuộc nhiều vào số lượng mô-đun I/O trên bus và vào các tham số trao đổi; nó thường dao động từ 0,5 đến 10 mili giây. Một nút phụ FBUS chỉ có thể chứa 64 mô-đun I/O. Đối với fieldbus, chiều dài cáp không được vượt quá 1 mét, vì vậy chúng ta không nói về hệ thống phân tán. Hay đúng hơn là có, nhưng chỉ khi sử dụng mạng FBUS công nghiệp qua TCP/IP, điều đó có nghĩa là thời gian bỏ phiếu sẽ tăng lên nhiều lần. Dây nối dài bus có thể được sử dụng để kết nối các mô-đun, cho phép đặt các mô-đun một cách thuận tiện trong tủ tự động hóa.
Bộ điều khiển Fastwel với các mô-đun I/O được kết nối. Nguồn:
Tổng cộng: tất cả điều này được sử dụng như thế nào trong thực tế trong các hệ thống kiểm soát quy trình tự động
Đương nhiên, sự đa dạng của các loại giao thức truyền dữ liệu công nghiệp hiện đại lớn hơn nhiều so với những gì chúng tôi mô tả trong bài viết này. Một số được gắn với một nhà sản xuất cụ thể, một số thì ngược lại, mang tính phổ quát. Khi phát triển hệ thống kiểm soát quy trình tự động (APCS), kỹ sư sẽ chọn các giao thức tối ưu, có tính đến các nhiệm vụ và hạn chế cụ thể (kỹ thuật và ngân sách).
Nếu chúng ta nói về mức độ phổ biến của một giao thức trao đổi cụ thể, chúng ta có thể cung cấp sơ đồ về công ty Mạng HMS AB, minh họa thị phần của các công nghệ trao đổi khác nhau trong mạng công nghiệp.
Nguồn:
Như có thể thấy trong sơ đồ, PRONET và PROFIBUS của Siemens chiếm vị trí dẫn đầu.
Điều thú vị là 6 năm trước .
Bảng dưới đây chứa dữ liệu tóm tắt về các giao thức trao đổi được mô tả. Một số thông số, ví dụ như hiệu suất, được thể hiện bằng thuật ngữ trừu tượng: cao / thấp. Tương đương bằng số có thể được tìm thấy trong các bài viết phân tích hiệu suất.
|
|
EtherCAT
|
LIÊN KẾT ĐIỆN
|
TIỂU SỬ
|
EtherNet / IP
|
ModbusTCP
|
|
Lớp vật lý
|
100/1000 CƠ SỞ-TX
|
100/1000 CƠ SỞ-TX
|
100/1000 CƠ SỞ-TX
|
100/1000 CƠ SỞ-TX
|
100/1000 CƠ SỞ-TX
|
|
Cấp dữ liệu
|
Kênh (khung Ethernet)
|
Kênh (khung Ethernet)
|
Kênh (khung Ethernet), Mạng/truyền tải (TCP/IP)
|
Mạng/Truyền tải(TCP/IP)
|
Mạng/Truyền tải(TCP/IP)
|
|
Hỗ trợ thời gian thực
|
vâng
|
vâng
|
vâng
|
vâng
|
Không
|
|
Năng suất
|
Cao
|
Cao
|
IRT – cao, RT – trung bình
|
Trung bình
|
Низкая
|
|
Chiều dài cáp giữa các nút
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Giai đoạn chuyển giao
|
Không
|
Đồng bộ + không đồng bộ
|
IRT – đẳng thời + không đồng bộ, RT – không đồng bộ
|
Không
|
Không
|
|
Số nút
|
65535
|
240
|
Giới hạn mạng TCP/IP
|
Giới hạn mạng TCP/IP
|
Giới hạn mạng TCP/IP
|
|
Độ phân giải va chạm
|
Cấu trúc liên kết vòng
|
Đồng bộ đồng hồ, pha truyền
|
Cấu trúc liên kết vòng, các pha truyền
|
Công tắc, cấu trúc liên kết sao
|
Công tắc, cấu trúc liên kết sao
|
|
Trao đổi nóng
|
Không
|
vâng
|
vâng
|
vâng
|
Tùy theo việc thực hiện
|
|
Chi phí thiết bị
|
Низкая
|
Низкая
|
Cao
|
Trung bình
|
Низкая
|
Các lĩnh vực ứng dụng của các giao thức trao đổi, bus trường và mạng công nghiệp được mô tả rất đa dạng. Từ ngành công nghiệp hóa chất và ô tô đến công nghệ hàng không vũ trụ và sản xuất điện tử. Các giao thức trao đổi tốc độ cao đang được yêu cầu trong các hệ thống định vị thời gian thực cho các thiết bị khác nhau và trong robot.
Bạn đã làm việc với những giao thức nào và bạn áp dụng chúng ở đâu? Chia sẻ kinh nghiệm của bạn trong các ý kiến. 🙂
Nguồn: www.habr.com