我們討論了總線和協定在工業自動化中的工作原理。 這次我們將重點放在現代工作解決方案：我們將了解世界各地的系統中使用哪些協定。 讓我們考慮一下德國倍福和西門子、奧地利貝加萊、美國羅克韋爾自動化和俄羅斯Fastwel的技術。 我們還將研究不依賴特定製造商的通用解決方案，例如 EtherCAT 和 CAN。
文章最後會有 EtherCAT、POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP 和 ModbusTCP 協定特性的比較表。
我們沒有在審查中包括 PRP、HSR、OPC UA 和其他協議，因為我們正在開發工業自動化系統的工程師同事已經在 Habré 上發表了關於它們的優秀文章。 例如， и .
首先，我們來定義一下術語：工業乙太網路=工業網絡，現場匯流排=現場匯流排。 在俄羅斯工業自動化中，現場匯流排和下層工業網路相關的術語存在混亂。 通常這些術語被組合成一個單一的、模糊的概念，稱為“下層”，它被稱為現場總線和子層總線，儘管它可能根本不是總線。
為什麼這樣？這種混淆很可能是由於在許多現代控制器中，I/O 模組的連接通常是使用背板或實體匯流排來實現的。 也就是說，某些匯流排觸點和連接器用於將多個模組組合成單一單元。 但這些節點又可以透過工業網路和現場匯流排互連。 在西方術語中有一個明確的劃分：網絡是網絡，總線是總線。 第一個被稱為“工業乙太網路”，第二個被稱為“現場匯流排”。 本文建議分別使用「工業網路」和術語「現場匯流排」來表示這些概念。
工業網路標準 EtherCAT，由 Beckhoff 開發
EtherCAT 協定和工業網路可能是當今自動化系統中最快的資料傳輸方法之一。 EtherCAT 網路已成功應用於分散式自動化系統，其中互動節點相距較遠。
EtherCAT 協定使用標準乙太網路訊框來傳輸其封包，因此它與任何標準乙太網路裝置保持相容，事實上，只要有適當的軟體可用，就可以在任何乙太網路控制器上組織資料接收和傳輸。
Beckhoff 控制器帶有一組 I/O 模組。 來源：
此協議規範是開放且可用的，但僅限於開發協會 - EtherCAT 技術組的框架內。
以下是 EtherCAT 的工作原理（場面令人著迷，就像 Zuma Inca 遊戲一樣）：
該協議中的高交換速度（我們可以談論以微秒為單位）是由於開發人員拒絕使用直接發送到特定設備的電報進行交換的事實而實現的。 相反，一份電報被發送到 EtherCAT 網絡，同時發送給所有設備，每個從屬節點用於收集和傳輸信息（它們通常也稱為 OSO - 對象通信設備）“即時”從中獲取信息為其準備的數據，並在電報中插入他準備提供交換的資料。 然後，電報被送到下一個從節點，在那裡發生相同的操作。 封包經過所有控制設備後，返回主控制器，主控制器根據從設備接收到的數據，實現控制邏輯，再次透過封包與從節點交互，從節點發出控制訊號設備。
EtherCAT 網路可以具有任何拓撲，但本質上它始終是一個環 - 由於使用全雙工模式和兩個乙太網路連接器。 這樣，報文將始終按順序傳輸到總線上的每個裝置。
具有多個節點的 Ethercat 網路的示意圖。 來源：
順便說一句，EtherCAT規範不包含對100Base-TX物理層的限制，因此該協定的實作可以基於千兆位元和光線路。
西門子的開放式工業網路和 PROFIBUS/NET 標準
德國西門子公司長期以來以其可程式邏輯控制器（PLC）而聞名，其產品在世界各地已廣泛應用。
由西門子設備控制的自動化系統的節點之間的資料交換透過稱為 PROFIBUS 的現場匯流排和 PROFINET 工業網路進行。
PROFIBUS 匯流排使用 DB-9 連接器的特殊兩芯電纜。 西門子有紫色的，但我們在實踐中也看過其他的:)。 要連接多個節點，連接器可以連接兩條電纜。 它還具有終端電阻開關。 網路終端設備上的終端電阻必須打開，這表示這是第一個或最後一個設備，之後什麼都沒有，只有黑暗和空虛（所有rs485都是這樣工作的）。 如果打開中間連接器上的電阻，則其後面的部分將關閉。
帶連接器的 PROFIBUS 電纜。 來源：
PROFINET網路使用類比雙絞線電纜，通常帶有RJ-45連接器，電纜顏色為綠色。 如果 PROFIBUS 的拓樸結構是匯流排，那麼 PROFINET 網路的拓樸結構可以是任何形式：環形、星形、樹形或所有組合。
連接 PROFINET 電纜的西門子控制器。 資料來源：w3.siemens.com
PROFIBUS 匯流排和 PROFINET 網路中有多種通訊協定。
對於 PROFIBUS：
- PROFIBUS DP - 此協定的實作涉及與遠端從站設備的通訊；對於 PROFINET，該協定對應於 PROFINET IO 協定。
- PROFIBUS PA本質上與PROFIBUS DP相同，僅用於防爆版本的資料傳輸和供電（類似於PROFIBUS DP，但物理特性不同）。 對於PROFINET來說，尚不存在類似PROFIBUS的防爆協定。
- PROFIBUS FMS - 設計用於與無法使用 PROFIBUS DP 的其他製造商的系統進行資料交換。 PROFINET 網路中的 PROFIBUS FMS 類似物是 PROFINET CBA 協定。
對於 PROFINET：
- PROFINET IO；
- PROFINET CBA。
PROFINET IO 協定分為幾類：
- PROFINET NRT（非即時）- 用於定時參數不重要的應用。 它使用乙太網路 TCP/IP 資料傳輸協定以及 UDP/IP。
- PROFINET RT（即時）- 這裡使用乙太網路幀實現 I/O 資料交換，但診斷和通訊資料仍然透過 UDP/IP 傳輸。
- PROFINET IRT（等時即時）- 此協定專為運動控制應用而開發，包括等時資料傳輸階段。
至於PROFINET IRT硬實時協定的實現，對於與遠端設備的通信，它區分兩種交換通道：等時和非同步。 具有固定交換週期長度的等時通道使用時鐘同步並傳輸時間關鍵資料；使用二級封包進行傳輸。 同步頻道中的傳輸持續時間不超過1毫秒。
非同步通道傳輸所謂的即時數據，該數據也是透過MAC位址來定址的。 此外，各種診斷和輔助資訊透過 TCP/IP 傳輸。 當然，即時數據，更不用說其他信息，都不能中斷同步週期。
並非每個工業自動化系統都需要擴展的 PROFINET IO 功能集，因此該協議針對特定項目進行擴展，同時考慮到合規性類別或一致性類別：CC-A、CC-B、CC-CC。 合規性類別可讓您選擇具有最低所需功能的現場設備和骨幹組件。
來源：
PROFINET 網路中的第二個交換協定 - PROFINET CBA - 用於組織不同製造商的設備之間的工業通訊。 IAS 系統中的主要生產單位是稱為元件的特定實體。 該組件通常是設備或裝置的機械、電氣和電子部件以及相關應用軟體的集合。 對於每個元件，都會選擇一個軟體模組，其中包含根據 PROFINET 標準要求的該元件介面的完整描述。 之後這些軟體模組用於與設備交換資料。
貝加萊乙太網路POWERLINK協定
Powerlink 協議由奧地利公司 B&R 在 2000 年代初開發。 這是基於乙太網路標準的即時協定的另一種實作。 協議規範可自由取得和分發。
Powerlink技術使用所謂的混合輪詢機制，將裝置之間的所有互動分為幾個階段。 特別關鍵的資料在同步交換階段傳輸，為此配置了所需的回應時間；其餘資料將盡可能在非同步階段傳輸。
帶有一組 I/O 模組的貝加萊控制器。 來源：br-automation.com
該協定最初是在 100Base-TX 物理層之上實現的，但後來開發了千兆位元實作。
Powerlink協定使用通訊調度機制。 某個標記或控制訊息被傳送到網絡，借助該標記或控制訊息可以確定哪些設備目前有權交換資料。 一次只有一台設備可以存取交換。
具有多個節點的乙太網路 POWERLINK 網路的示意圖。
在等時階段，輪詢控制器順序向需要接收關鍵資料的每個節點發送請求。
如前所述，同步階段是透過可調節的循環時間來執行的。 在交換的非同步階段，使用IP協定棧，控制器向所有節點請求非關鍵數據，這些節點在獲得傳輸到網路的存取權限時發送回應。 等時和非同步階段之間的時間比例可以手動調整。
羅克韋爾自動化乙太網路/IP 協議
EtherNet/IP 協議是在美國羅克韋爾自動化公司的積極參與下於 2000 年開發的。 它使用 TCP 和 UDP IP 堆疊，並將其擴展到工業自動化應用。 與普遍看法相反，該名稱的第二部分並不意味著互聯網協議，而是工業協議。 UDP IP 使用 CIP（通用介面協定）通訊堆疊，該堆疊也用於 ControlNet/DeviceNet 網絡，並在 TCP/IP 之上實現。
EtherNet/IP 規範是公開且免費的。 乙太網路/IP網路拓樸可以是任意的，包括環形、星形、樹形或匯流排。
除了 HTTP、FTP、SMTP、EtherNet/IP 協定的標準功能外，它還實現了輪詢控制器和 I/O 設備之間時間關鍵資料的傳輸。 非時間關鍵資料的傳輸由 TCP 資料包提供，而時間關鍵的循環控制資料的傳送則透過 UDP 協定進行。
為了同步分散式系統中的時間，EtherNet/IP 使用 CIPsync 協議，它是 CIP 通訊協定的擴展。
具有多個節點和 Modbus 設備連接的乙太網路/IP 網路的示意圖。 來源：
為了簡化 EtherNet/IP 網路設置，大多數標準自動化設備都附帶預先定義的設定檔。
FBUS 協定在 Fastwel 的實施
我們考慮了很長時間是否將俄羅斯公司Fastwel納入該名單，因為該公司在國內實施了FBUS工業協議，但後來我們決定寫幾段話，以便更好地了解進口替代的現實。
FBUS 有兩種實體實作。 其中之一是 FBUS 協定在 RS485 標準之上運行的匯流排。 此外，還有工業乙太網路中 FBUS 的實作。
FBUS很難被稱為高速協定；反應時間很大程度取決於總線上I/O模組的數量和交換參數；通常在0,5到10毫秒之間。 一個FBUS從站節點只能包含64個I/O模組。 對於現場匯流排來說，電纜長度不能超過1米，因此我們不是在談論分散式系統。 或者更確切地說，確實如此，但僅限於透過 TCP/IP 使用工業 FBUS 網路時，這意味著輪詢時間會增加數倍。 總線延長線可用於連接模組，從而可以方便地將模組放置在自動化櫃中。
Fastwel 控制器與連接的 I/O 模組。 來源：
總計：所有這些如何在自動化過程控制系統中實際應用
當然，現代工業資料傳輸協定的種類比我們在本文中描述的要多得多。 有些與特定製造商相關，有些則相反，是通用的。 在開發自動化製程控制系統 (APCS) 時，工程師會考慮特定任務和限制（技術和預算）來選擇最佳協定。
如果我們談論特定交換協議的流行程度，我們可以提供該公司的圖表 HMS網路公司，它說明了工業網路中各種交換技術的市場份額。
來源：
從圖中可以看出，西門子的PRONET和PROFIBUS佔據領先地位。
有趣的是，6年前 .
下表包含所描述的交換協議的摘要資料。 一些參數，例如性能，用抽象術語表示：高/低。 可以在效能分析文章中找到等效的數值。
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以太網貓
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電源鏈接
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工業以太網
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EtherNet / IP的
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ModbusTCP
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物理層
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
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數據等級
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通道（乙太網路訊框）
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通道（乙太網路訊框）
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通道（乙太網路訊框）、網路/傳輸 (TCP/IP)
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網路/傳輸(TCP/IP)
|
網路/傳輸(TCP/IP)
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即時支援
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Да
|
Да
|
Да
|
Да
|
沒有
|
|
Производительность
|
高
|
高
|
IRT – 高，RT – 中
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平均
|
低
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節點之間的電纜長度
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100m
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100m/2公里
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100m
|
100m
|
100m
|
|
轉移階段
|
沒有
|
等時+異步
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IRT – 等時+非同步，RT – 非同步
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沒有
|
沒有
|
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節點數量
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65535
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240
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TCP/IP 網路限制
|
TCP/IP 網路限制
|
TCP/IP 網路限制
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碰撞解決
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環形拓撲
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時鐘同步、傳輸階段
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環形拓撲，傳輸相位
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交換機，星形拓撲
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交換機，星形拓撲
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|
熱插拔
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沒有
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Да
|
Да
|
Да
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取決於實施
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設備成本
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低
|
低
|
高
|
平均
|
低
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所描述的交換協定、現場匯流排和工業網路的應用領域非常廣泛。 從化學和汽車工業到航空航天技術和電子製造。 各種設備和機器人的即時定位系統需要高速交換協定。
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來源： www.habr.com