En una publicaci贸n anterior, hablamos sobre c贸mo funcionan los buses y protocolos en la automatizaci贸n industrial. Esta vez nos centramos en soluciones de trabajo modernas: veamos qu茅 protocolos se utilizan en los sistemas de todo el mundo. Considere la tecnolog铆a de las compa帽铆as alemanas Beckhoff y Siemens, Austrian B&R, American Rockwell Automation y Russian Fastwel. Y tambi茅n estudiaremos soluciones universales que no est谩n vinculadas a un fabricante espec铆fico, como EtherCAT y CAN.
Al final del art铆culo habr谩 una tabla comparativa con las caracter铆sticas de los protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet / IP y ModbusTCP.
No incluimos los protocolos PRP, HSR, OPC UA y otros, como sobre ellos en Habr茅 ya hay excelentes art铆culos de nuestros colegas ingenieros que se dedican al desarrollo de sistemas de automatizaci贸n industrial. Por ejemplo, "Protocolos" sin problemas "redundancia PRP y HSR" y "Puertas de enlace de protocolos de intercambio industrial para Linux. Constr煤yalo usted mismo " .
Para comenzar, definimos la terminolog铆a: Industrial Ethernet = red industrial, Fieldbus = bus de campo. La confusi贸n se produce en la automatizaci贸n industrial rusa en t茅rminos de bus de campo y red industrial de bajo nivel. A menudo, estos t茅rminos se combinan en un solo concepto vago de "nivel inferior", que se llama tanto el bus de campo como el bus de nivel inferior, aunque esto puede no ser un bus en absoluto.
Por qu茅Es muy probable que esta confusi贸n se deba al hecho de que en muchos controladores modernos la conexi贸n de los m贸dulos de E / S a menudo se implementa utilizando el plano posterior o el bus f铆sico. Es decir, algunos contactos y conectores de bus se utilizan para combinar varios m贸dulos en una sola unidad. Pero tales nodos, a su vez, pueden estar interconectados tanto por una red industrial como por un bus de campo. Existe una clara separaci贸n en la terminolog铆a occidental: una red es una red, un bus es un bus. El primero se denota con el t茅rmino Industrial Ethernet, el segundo con Fieldbus. El art铆culo propone utilizar el t茅rmino "red industrial" y el t茅rmino "bus de campo", respectivamente, para estos conceptos.
EtherCAT Industrial Network Standard, desarrollado por Beckhoff
El protocolo EtherCAT y la red industrial es quiz谩s uno de los m茅todos de transferencia de datos m谩s r谩pidos en los sistemas de automatizaci贸n actuales. La red EtherCAT se ha utilizado con 茅xito en sistemas de automatizaci贸n distribuidos, donde los nodos que interact煤an est谩n espaciados a larga distancia.
El protocolo EtherCAT utiliza tramas Ethernet est谩ndar para transmitir sus telegramas, por lo tanto, se mantiene la compatibilidad con cualquier equipo Ethernet est谩ndar y, de hecho, la recepci贸n y transmisi贸n de datos se puede organizar en cualquier controlador Ethernet, si el software correspondiente est谩 disponible.
Controlador Beckhoff con un conjunto de m贸dulos de E / S. Fuente: www.beckhoff.deLa especificaci贸n del protocolo es abierta y accesible, pero solo dentro del marco de la asociaci贸n de desarrollo: EtherCAT Technology Group.
As铆 es como funciona EtherCAT (la vista es fascinante, como el juego Zuma Inca):
El alto tipo de cambio en este protocolo, y podemos hablar de unidades de microsegundos, se debe al hecho de que los desarrolladores se negaron a intercambiar utilizando telegramas enviados directamente a un dispositivo espec铆fico. En cambio, se env铆a un telegrama a la red EtherCAT, dirigido a todos los dispositivos al mismo tiempo, cada uno de los nodos subordinados para recopilar y transmitir informaci贸n (a menudo tambi茅n se les llama USO - un dispositivo de comunicaci贸n con un objeto) recoge de forma instant谩nea los datos que estaban destinados a ello, y los inserta en un telegrama, los datos que est谩 listo para proporcionar para el intercambio. Despu茅s de esto, el telegrama se env铆a al siguiente nodo subordinado, donde tiene lugar la misma operaci贸n. Despu茅s de pasar todo el ODR, el telegrama se devuelve al controlador principal, que, en base a los datos recibidos de los dispositivos esclavos, implementa la l贸gica de control, interactuando nuevamente por medio de un telegrama con los nodos esclavos que emiten una se帽al de control al equipo.
Una red EtherCAT puede tener cualquier topolog铆a, pero de hecho siempre ser谩 un anillo, debido al uso del modo d煤plex completo y dos conectores Ethernet. Por lo tanto, el telegrama siempre se transmitir谩 secuencialmente a cada dispositivo en el bus.
Representaci贸n esquem谩tica de una red Ethercat con m煤ltiples nodos. Fuente: realpars.comPor cierto, la especificaci贸n EtherCAT no contiene limitaciones de la capa f铆sica 100Base-TX, por lo tanto, la implementaci贸n del protocolo es posible sobre la base de gigabit y l铆neas 贸pticas.
Redes de industria abierta de Siemens y est谩ndares PROFIBUS / NET
La preocupaci贸n alemana Siemens ha sido conocida por sus controladores l贸gicos programables (PLC), que se utilizan en todo el mundo.
El intercambio de datos entre nodos de un sistema automatizado bajo el control de equipos Siemens se implementa a trav茅s de un bus de campo llamado PROFIBUS y en la red industrial PROFINET.
El bus PROFIBUS utiliza un cable especial de dos hilos con conectores DB-9. En Siemens es morado, pero en la pr谩ctica hemos conocido a otros :). Para conectar m煤ltiples nodos, un conector puede conectar dos cables. Tambi茅n tiene un interruptor para una resistencia terminal. La resistencia terminal debe estar encendida en los dispositivos finales de la red, por lo tanto, se informa que este es el primer o 煤ltimo dispositivo, y despu茅s de eso no hay nada, solo oscuridad y vac铆o (todos los rs485 funcionan de esta manera). Si enciende la resistencia en el conector intermedio, la secci贸n siguiente se desconectar谩.
Cable PROFIBUS con conectores. Fuente: VIPA ControlsAmericaLa red PROFINET utiliza un cable anal贸gico de par trenzado, generalmente con conectores RJ-45, el cable est谩 pintado de verde. Si la topolog铆a PROFIBUS es un bus, entonces la topolog铆a de la red PROFINET puede ser cualquier cosa: al menos un anillo, al menos una estrella, al menos un 谩rbol, al menos todos juntos.
Controlador Siemens con cable PROFINET conectado. Fuente: w3.siemens.comExisten varios protocolos de comunicaci贸n en el bus PROFIBUS y en la red PROFINET.
Para PROFIBUS:
- PROFIBUS DP: la implementaci贸n de este protocolo implica la comunicaci贸n con esclavos remotos; en el caso de PROFINET, el protocolo PROFINET IO corresponde a este protocolo.
- PROFIBUS PA: es esencialmente el mismo PROFIBUS DP, solo se utiliza para versiones a prueba de explosi贸n de transmisi贸n de datos y potencia (an谩logo de PROFIBUS DP con otras propiedades f铆sicas). Para PROFINET, todav铆a no existe un protocolo a prueba de explosi贸n por analog铆a con PROFIBUS.
- PROFIBUS FMS: dise帽ado para intercambiar datos con sistemas de otros fabricantes que no pueden usar PROFIBUS DP. El equivalente de PROFIBUS FMS en la red PROFINET es el protocolo PROFINET CBA.
Para PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
El protocolo PROFINET IO se divide en varias clases:
- PROFINET NRT (sin tiempo real): utilizado en aplicaciones donde los par谩metros de tiempo no son cr铆ticos. Utiliza Ethernet TCP / IP, as铆 como UDP / IP.
- PROFINET RT (tiempo real): aqu铆 el intercambio de datos de entrada / salida se implementa utilizando tramas Ethernet, pero los datos de diagn贸stico y comunicaci贸n todav铆a se transmiten a trav茅s de UDP / IP.
- PROFINET IRT (tiempo real is贸crono): este protocolo se desarroll贸 espec铆ficamente para aplicaciones de control de movimiento e incluye la fase is贸crona de transferencia de datos.
En cuanto a la implementaci贸n del protocolo de tiempo real PROFINET IRT, se asignan dos canales de comunicaci贸n para la comunicaci贸n con dispositivos remotos: is贸crono y as铆ncrono. Un canal is贸crono con una duraci贸n fija del ciclo de intercambio de tiempo utiliza la sincronizaci贸n del reloj y transmite datos cr铆ticos en el tiempo; los telegramas de segundo nivel se utilizan para la transmisi贸n. La duraci贸n de la transmisi贸n en el canal is贸crono no supera 1 milisegundo.
En el canal as铆ncrono, se transmiten los llamados datos en tiempo real, que tambi茅n se direccionan a trav茅s de la direcci贸n MAC. Adem谩s, ya se transmite informaci贸n de diagn贸stico y auxiliar a trav茅s de TCP / IP. Ni los datos en tiempo real, y mucho menos otra informaci贸n, por supuesto, no pueden interrumpir el ciclo is贸crono.
No se necesita un conjunto ampliado de funciones PROFINET IO para todos los sistemas de automatizaci贸n industrial, por lo tanto, este protocolo se escala para un proyecto espec铆fico, teniendo en cuenta las clases de conformidad o clases de conformidad: CC-A, CC-B, CC-CC. Las clases de cumplimiento le permiten seleccionar dispositivos de campo y componentes troncales con la funcionalidad m铆nima requerida.
Fuente: Lecci贸n universitaria PROFINETEl segundo protocolo de comunicaci贸n en la red PROFINET, PROFINET CBA, se utiliza para organizar la comunicaci贸n industrial entre equipos de diferentes fabricantes. La unidad de producci贸n principal en los sistemas CBA es una determinada entidad llamada componente. Este componente suele ser una combinaci贸n de las partes mec谩nicas, el茅ctricas y electr贸nicas del dispositivo o instalaci贸n, as铆 como el software de aplicaci贸n correspondiente. Para cada componente, se selecciona un m贸dulo de software que contiene una descripci贸n completa de la interfaz de este componente de acuerdo con los requisitos del est谩ndar PROFINET. Luego, estos m贸dulos de software se utilizan para intercambiar datos con dispositivos.
Protocolo B&R Ethernet POWERLINK
El protocolo Powerlink fue desarrollado por la empresa austriaca B&R a principios de la d茅cada de 2000. Esta es otra implementaci贸n del protocolo en tiempo real sobre Ethernet. La especificaci贸n del protocolo est谩 disponible y se distribuye libremente.
La tecnolog铆a Powerlink utiliza el mecanismo de la llamada encuesta mixta, cuando toda la interacci贸n entre dispositivos se divide en varias fases. Los datos particularmente cr铆ticos se transmiten en la fase de intercambio is贸crono, para lo cual se configura el tiempo de respuesta requerido, el resto de los datos se transmitir谩n lo m谩s lejos posible en la fase as铆ncrona.
Controlador B&R con un conjunto de m贸dulos de E / S. Fuente: br-automation.comInicialmente, el protocolo se implement贸 sobre la capa f铆sica 100Base-TX, pero luego se desarroll贸 una implementaci贸n de gigabit.
El protocolo Powerlink utiliza un mecanismo de planificaci贸n de intercambio. Se env铆a un determinado token o mensaje de control a la red, con la ayuda de este se determina cu谩l de los dispositivos tiene permiso actualmente para intercambiar datos. Solo un dispositivo puede tener acceso al intercambio en cualquier momento.
Representaci贸n esquem谩tica de una red Ethernet POWERLINK con m煤ltiples nodos.En la fase is贸crona, el controlador de sondeo env铆a secuencialmente una solicitud a cada nodo desde el que se deben recibir datos cr铆ticos.
La fase is贸crona se lleva a cabo, como ya se mencion贸, con un tiempo de ciclo ajustable. En la fase asincr贸nica del intercambio, se utiliza la pila de protocolo IP, el controlador solicita datos no cr铆ticos de todos los nodos que env铆an una respuesta a medida que obtienen acceso a la transmisi贸n a la red. La relaci贸n de tiempo entre las fases is贸cronas y as铆ncronas se puede ajustar manualmente.
Protocolo Ethernet / IP de Rockwell Automation
EtherNet / IP se desarroll贸 con la participaci贸n activa de Rockwell Automation en 2000. Utiliza la pila TCP y UDP IP, y la extiende para su uso en automatizaci贸n industrial. La segunda parte del nombre, contrario a la creencia popular, no significa el Protocolo de Internet, sino el Protocolo Industrial. UDP IP usa la pila de comunicaci贸n CIP (Protocolo de interfaz com煤n), que tambi茅n se usa en redes ControlNet / DeviceNet y se implementa a trav茅s de TCP / IP.
La especificaci贸n EtherNet / IP es p煤blica y gratuita. La topolog铆a de red Ethernet / IP puede ser arbitraria e incluir un anillo, estrella, 谩rbol o bus.
Adem谩s de las funciones est谩ndar de los protocolos HTTP, FTP, SMTP, EtherNet / IP, implementa la transferencia de datos cr铆ticos entre el controlador de sondeo y los dispositivos de entrada / salida. La transmisi贸n de datos cr铆ticos en el tiempo es proporcionada por paquetes TCP, y el env铆o cr铆tico de datos de control c铆clicos se realiza a trav茅s de UDP.
Para la sincronizaci贸n horaria en sistemas distribuidos, EtherNet / IP utiliza el protocolo CIPsync, que es una extensi贸n del protocolo de comunicaci贸n CIP.
Ilustraci贸n esquem谩tica de una red Ethernet / IP con m煤ltiples nodos y dispositivos Modbus. Fuente: www.icpdas.com.twPara simplificar la configuraci贸n de la red EtherNet / IP, la mayor铆a de los dispositivos de automatizaci贸n est谩ndar vienen con archivos de configuraci贸n predefinidos.
Implementaci贸n del protocolo Fastwel FBUS
Pensaron durante mucho tiempo si incluir a la compa帽铆a rusa Fastwel con su implementaci贸n nacional del protocolo industrial FBUS en esta lista, pero luego decidieron escribir un par de p谩rrafos para comprender mejor las realidades de la sustituci贸n de importaciones.
Hay dos implementaciones f铆sicas de FBUS. Uno de ellos es un bus en el que el protocolo FBUS se ejecuta sobre el est谩ndar RS485. Adem谩s, hay una implementaci贸n de FBUS en una red Ethernet industrial.
Es dif铆cil llamar a FBUS un protocolo de alta velocidad, el tiempo de respuesta depende en gran medida del n煤mero de m贸dulos de entrada / salida en el bus y de los par谩metros de intercambio, por lo general var铆a entre 0.5-10 milisegundos. Un esclavo FBUS puede contener solo 64 m贸dulos de E / S. Para un bus de campo, la longitud del cable no puede exceder 1 metro, por lo tanto, no estamos hablando de sistemas distribuidos. Por el contrario, desaparece, pero solo cuando se utiliza una red FBUS industrial a trav茅s de TCP / IP, lo que significa un aumento en el tiempo de sondeo varias veces. Los extensores de bus se pueden usar para conectar los m贸dulos, lo que hace posible colocarlos convenientemente en el gabinete de automatizaci贸n.
Controlador Fastwel con m贸dulos de E / S conectados. Fuente: Ingenier铆a de Control Rusia
Total: c贸mo se usa todo esto en la pr谩ctica en ACS TP
Naturalmente, la diversidad de especies de los protocolos modernos de transferencia de datos industriales es mucho mayor de lo que describimos en este art铆culo. Algunos est谩n vinculados a un fabricante espec铆fico, algunos, por el contrario, son universales. Al desarrollar sistemas automatizados de control de procesos (APCS), el ingeniero selecciona los protocolos 贸ptimos, teniendo en cuenta las tareas y limitaciones espec铆ficas (t茅cnicas y de presupuesto).
Si hablamos sobre la prevalencia de un protocolo de intercambio particular, entonces podemos dar un diagrama de HMS Networks AB , que ilustra las cuotas de mercado de varias tecnolog铆as de intercambio en redes industriales.
Fuente: HMS Networks ABComo puede ver en el diagrama, PRONET y PROFIBUS de Siemens ocupan una posici贸n de liderazgo.
Curiosamente, hace 6 a帽os,
los protocolos PROFINET y Ethernet / IP ocupaban el 60% del mercado .
La siguiente tabla resume los protocolos de intercambio descritos. Algunos par谩metros, por ejemplo, el rendimiento se expresan en t茅rminos abstractos: alto / bajo. Se pueden encontrar equivalentes num茅ricos en los art铆culos de an谩lisis de rendimiento.
Las aplicaciones de los protocolos de comunicaci贸n, buses de campo y redes industriales descritos son muy diversas. Comenzando desde las industrias qu铆mica y automotriz y terminando con tecnolog铆as aeroespaciales y electr贸nica. Se requieren protocolos de comunicaci贸n de alta velocidad en los sistemas de posicionamiento en tiempo real para varios dispositivos y en rob贸tica.
驴Con qu茅 protocolos trabaj贸 y d贸nde lo us贸? Comparte tus experiencias en los comentarios. :)