我们讨论了总线和协议在工业自动化中的工作原理。 这次我们将重点关注现代工作解决方案：我们将了解世界各地的系统中使用哪些协议。 我们来看看德国倍福和西门子、奥地利贝加莱、美国罗克韦尔自动化和俄罗斯Fastwel的技术。 我们还将研究不依赖于特定制造商的通用解决方案，例如 EtherCAT 和 CAN。
文章最后会有一个 EtherCAT、POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP 和 ModbusTCP 协议特性的比较表。
我们没有在审查中包括 PRP、HSR、OPC UA 和其他协议，因为我们正在开发工业自动化系统的工程师同事已经在 Habré 上发表了关于它们的优秀文章。 例如， и .
首先，我们来定义一下术语：工业以太网=工业网络，现场总线=现场总线。 在俄罗斯工业自动化中，现场总线和下层工业网络相关的术语存在混乱。 通常这些术语被组合成一个单一的、模糊的概念，称为“下层”，它被称为现场总线和子层总线，尽管它可能根本不是总线。
这是为什么？这种混淆很可能是由于在许多现代控制器中，I/O 模块的连接通常是使用背板或物理总线来实现的。 也就是说，某些总线触点和连接器用于将多个模块组合成单个单元。 但这些节点又可以通过工业网络和现场总线互连。 在西方术语中有一个明确的划分：网络是网络，总线是总线。 第一个被称为工业以太网，第二个被称为现场总线。 本文建议分别使用术语“工业网络”和术语“现场总线”来表示这些概念。
工业网络标准 EtherCAT，由 Beckhoff 开发
EtherCAT 协议和工业网络可能是当今自动化系统中最快的数据传输方法之一。 EtherCAT 网络已成功应用于分布式自动化系统，其中交互节点相距较远。
EtherCAT 协议使用标准以太网帧来传输其报文，因此它与任何标准以太网设备保持兼容，并且事实上，只要有适当的软件可用，就可以在任何以太网控制器上组织数据接收和传输。
Beckhoff 控制器带有一组 I/O 模块。 来源：
该协议规范是开放且可用的，但仅限于开发协会 - EtherCAT 技术组的框架内。
以下是 EtherCAT 的工作原理（场面令人着迷，就像 Zuma Inca 游戏一样）：
该协议中的高交换速度（我们可以谈论以微秒为单位）是由于开发人员拒绝使用直接发送到特定设备的电报进行交换的事实而实现的。 相反，一份电报被发送到 EtherCAT 网络，同时发送给所有设备，每个从属节点用于收集和传输信息（它们通常也称为 OSO - 对象通信设备）“即时”从中获取信息为其准备的数据，并在电报中插入他准备提供交换的数据。 然后，电报被发送到下一个从节点，在那里发生相同的操作。 报文经过所有控制设备后，返回主控制器，主控制器根据从从设备接收到的数据，实现控制逻辑，再次通过报文与从节点进行交互，从节点发出控制信号设备。
EtherCAT 网络可以具有任何拓扑，但本质上它始终是一个环 - 由于使用全双工模式和两个以太网连接器。 这样，报文将始终按顺序传输到总线上的每个设备。
具有多个节点的 Ethercat 网络的示意图。 来源：
顺便说一句，EtherCAT规范不包含对100Base-TX物理层的限制，因此该协议的实现可以基于千兆位和光线路。
西门子的开放式工业网络和 PROFIBUS/NET 标准
德国西门子公司长期以来以其可编程逻辑控制器（PLC）而闻名，其产品在世界各地得到广泛应用。
由西门子设备控制的自动化系统的节点之间的数据交换通过称为 PROFIBUS 的现场总线和 PROFINET 工业网络进行。
PROFIBUS 总线使用带有 DB-9 连接器的特殊两芯电缆。 西门子有紫色的，但我们在实践中也看到过其他的:)。 要连接多个节点，连接器可以连接两根电缆。 它还具有终端电阻开关。 网络终端设备上的终端电阻必须打开，从而表明这是第一个或最后一个设备，之后什么都没有，只有黑暗和空虚（所有rs485都是这样工作的）。 如果打开中间连接器上的电阻，则其后面的部分将被关闭。
带连接器的 PROFIBUS 电缆。 来源：
PROFINET网络使用模拟双绞线电缆，通常带有RJ-45连接器，电缆颜色为绿色。 如果 PROFIBUS 的拓扑结构是总线，那么 PROFINET 网络的拓扑结构可以是任何形式：环形、星形、树形或所有组合。
连接 PROFINET 电缆的西门子控制器。 资料来源：w3.siemens.com
PROFIBUS 总线和 PROFINET 网络中有多种通信协议。
对于 PROFIBUS：
- PROFIBUS DP - 该协议的实现涉及与远程从站设备的通信；对于 PROFINET，该协议对应于 PROFINET IO 协议。
- PROFIBUS PA本质上与PROFIBUS DP相同，仅用于防爆版本的数据传输和供电（类似于PROFIBUS DP，但物理特性不同）。 对于PROFINET来说，尚不存在类似于PROFIBUS的防爆协议。
- PROFIBUS FMS - 设计用于与无法使用 PROFIBUS DP 的其他制造商的系统进行数据交换。 PROFINET 网络中的 PROFIBUS FMS 类似物是 PROFINET CBA 协议。
对于 PROFINET：
- PROFINET IO；
- PROFINET CBA。
PROFINET IO 协议分为几类：
- PROFINET NRT（非实时）- 用于定时参数不重要的应用。 它使用以太网 TCP/IP 数据传输协议以及 UDP/IP。
- PROFINET RT（实时）- 这里使用以太网帧实现 I/O 数据交换，但诊断和通信数据仍然通过 UDP/IP 传输。
- PROFINET IRT（等时实时）- 该协议专为运动控制应用而开发，包括等时数据传输阶段。
至于PROFINET IRT硬实时协议的实现，对于与远程设备的通信，它区分两种交换通道：等时和异步。 具有固定交换周期长度的等时通道使用时钟同步并传输时间关键数据；使用二级报文进行传输。 同步信道中的传输持续时间不超过1毫秒。
异步通道传输所谓的实时数据，该数据也是通过MAC地址来寻址的。 此外，各种诊断和辅助信息通过 TCP/IP 传输。 当然，实时数据，更不用说其他信息，都不能中断同步周期。
并非每个工业自动化系统都需要扩展的 PROFINET IO 功能集，因此该协议针对特定项目进行扩展，同时考虑到合规性类别或一致性类别：CC-A、CC-B、CC-CC。 合规性类别允许您选择具有最低所需功能的现场设备和骨干组件。
来源：
PROFINET 网络中的第二个交换协议 - PROFINET CBA - 用于组织不同制造商的设备之间的工业通信。 IAS 系统中的主要生产单元是称为组件的特定实体。 该组件通常是设备或装置的机械、电气和电子部件以及相关应用软件的集合。 对于每个组件，都会选择一个软件模块，其中包含根据 PROFINET 标准要求的该组件接口的完整描述。 之后这些软件模块用于与设备交换数据。
贝加莱以太网POWERLINK协议
Powerlink 协议由奥地利公司 B&R 在 2000 年代初期开发。 这是基于以太网标准的实时协议的另一种实现。 协议规范可自由获取和分发。
Powerlink技术使用所谓的混合轮询机制，将设备之间的所有交互分为几个阶段。 特别关键的数据在同步交换阶段传输，为此配置了所需的响应时间；其余数据将尽可能在异步阶段传输。
带有一组 I/O 模块的贝加莱控制器。 来源：br-automation.com
该协议最初是在 100Base-TX 物理层之上实现的，但后来开发了千兆位实现。
Powerlink协议使用通信调度机制。 某个标记或控制消息被发送到网络，借助该标记或控制消息可以确定哪些设备当前有权交换数据。 一次只有一台设备可以访问交换。
具有多个节点的以太网 POWERLINK 网络的示意图。
在等时阶段，轮询控制器顺序向需要接收关键数据的每个节点发送请求。
如前所述，同步阶段是通过可调节的循环时间来执行的。 在交换的异步阶段，使用IP协议栈，控制器向所有节点请求非关键数据，这些节点在获得传输到网络的访问权限时发送响应。 等时和异步阶段之间的时间比例可以手动调整。
罗克韦尔自动化以太网/IP 协议
EtherNet/IP 协议是在美国罗克韦尔自动化公司的积极参与下于 2000 年开发的。 它使用 TCP 和 UDP IP 堆栈，并将其扩展到工业自动化应用。 与普遍看法相反，该名称的第二部分并不意味着互联网协议，而是工业协议。 UDP IP 使用 CIP（通用接口协议）通信堆栈，该堆栈也用于 ControlNet/DeviceNet 网络，并在 TCP/IP 之上实现。
EtherNet/IP 规范是公开且免费的。 以太网/IP网络拓扑可以是任意的，包括环形、星形、树形或总线。
除了 HTTP、FTP、SMTP、EtherNet/IP 协议的标准功能外，它还实现了轮询控制器和 I/O 设备之间时间关键数据的传输。 非时间关键数据的传输由 TCP 数据包提供，而时间关键的循环控制数据的传送则通过 UDP 协议进行。
为了同步分布式系统中的时间，EtherNet/IP 使用 CIPsync 协议，它是 CIP 通信协议的扩展。
具有多个节点和 Modbus 设备连接的以太网/IP 网络的示意图。 来源：
为了简化 EtherNet/IP 网络设置，大多数标准自动化设备都附带预定义的配置文件。
FBUS 协议在 Fastwel 的实施
我们考虑了很长时间是否将俄罗斯公司Fastwel纳入该名单，因为该公司在国内实施了FBUS工业协议，但后来我们决定写几段话，以便更好地了解进口替代的现实。
FBUS 有两种物理实现。 其中之一是 FBUS 协议在 RS485 标准之上运行的总线。 此外，还有工业以太网中 FBUS 的实现。
FBUS很难被称为高速协议；响应时间很大程度上取决于总线上I/O模块的数量和交换参数；通常在0,5到10毫秒之间。 一个FBUS从站节点只能包含64个I/O模块。 对于现场总线来说，电缆长度不能超过1米，因此我们不是在谈论分布式系统。 或者更确切地说，确实如此，但仅限于通过 TCP/IP 使用工业 FBUS 网络时，这意味着轮询时间会增加数倍。 总线延长线可用于连接模块，从而可以方便地将模块放置在自动化柜中。
Fastwel 控制器与连接的 I/O 模块。 来源：
总计：所有这些如何在自动化过程控制系统中实际应用
当然，现代工业数据传输协议的种类比我们在本文中描述的要多得多。 有些与特定制造商相关，有些则相反，是通用的。 在开发自动化过程控制系统 (APCS) 时，工程师会考虑特定任务和限制（技术和预算）来选择最佳协议。
如果我们谈论特定交换协议的流行程度，我们可以提供该公司的图表 HMS 网络公司，它说明了工业网络中各种交换技术的市场份额。
来源：
从图中可以看出，西门子的PRONET和PROFIBUS占据领先地位。
有趣的是，6年前 .
下表包含所描述的交换协议的摘要数据。 一些参数，例如性能，用抽象术语表示：高/低。 可以在性能分析文章中找到等效的数值。
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EtherCAT的
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宝力通
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PROFINET
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以太网/ IP
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ModbusTCP
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物理层
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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数据级别
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通道（以太网帧）
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通道（以太网帧）
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通道（以太网帧）、网络/传输 (TCP/IP)
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网络/传输(TCP/IP)
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网络/传输(TCP/IP)
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实时支持
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是
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是
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是
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是
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没有
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Производительность
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高
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高
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IRT – 高，RT – 中
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平均
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低
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节点之间的电缆长度
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100м
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100m/2公里
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100м
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100м
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100м
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转移阶段
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没有
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等时+异步
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IRT – 等时+异步，RT – 异步
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没有
|
没有
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节点数量
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65535
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240
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TCP/IP 网络限制
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TCP/IP 网络限制
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TCP/IP 网络限制
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碰撞解决
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环形拓扑
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时钟同步、传输阶段
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环形拓扑，传输相位
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交换机，星形拓扑
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交换机，星形拓扑
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热插拔
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没有
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是
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是
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是
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取决于实施
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设备成本
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低
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低
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高
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平均
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低
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所描述的交换协议、现场总线和工业网络的应用领域非常广泛。 从化学和汽车工业到航空航天技术和电子制造。 各种设备和机器人的实时定位系统需要高速交换协议。
您使用了哪些协议以及在何处应用它们？ 在评论中分享您的经验。 🙂
来源： habr.com