نظرة عامة على البروتوكولات الحديثة في أنظمة الأتمتة الصناعية

في منشور سابق ، تحدثنا عن كيفية عمل الحافلات والبروتوكولات في الأتمتة الصناعية. هذه المرة نركز على حلول العمل الحديثة: دعونا نرى ما هي البروتوكولات المستخدمة في النظم في جميع أنحاء العالم. النظر في تكنولوجيا الشركات الألمانية بيكهوف وسيمنز ، النمساوية B&R ، أمريكان روكويل أوتوميشن وفاستويل الروسية. وأيضًا سنقوم بدراسة الحلول الشاملة غير المرتبطة بمُصنع معين ، مثل EtherCAT و CAN.

في نهاية المقال ، سيكون هناك جدول مقارن به خصائص بروتوكولات EtherCAT و POWERLINK و PROFINET و EtherNet / IP و ModbusTCP.

لم نقم بتضمين بروتوكولات PRP و HSR و OPC UA وغيرها عليها في Habré هناك بالفعل مقالات ممتازة من زملائنا المهندسين الذين يشاركون في تطوير أنظمة الأتمتة الصناعية. على سبيل المثال ، "البروتوكولات" السلس "التكرار PRP و HSR" و "بوابات بروتوكولات التبادل الصناعي لنظام التشغيل Linux. بناء ذلك بنفسك . "

بادئ ذي بدء ، نقوم بتعريف المصطلحات: Ethernet الصناعية = الشبكة الصناعية ، Fieldbus = ناقل المجال. يحدث الارتباك في الأتمتة الصناعية الروسية من حيث ناقل المجال الصناعي والشبكة الصناعية منخفضة المستوى. في كثير من الأحيان يتم الجمع بين هذه المصطلحات في مفهوم غامض واحد من "المستوى الأدنى" ، والذي يسمى كلاً من ناقل المجال والحافلة ذات المستوى الأدنى ، على الرغم من أن هذا قد لا يكون حافلة على الإطلاق.

EtherCAT Industrial Network Standard ، تم تطويره بواسطة Beckhoff

يعد بروتوكول EtherCAT والشبكة الصناعية أحد أسرع أساليب نقل البيانات في أنظمة التشغيل الآلي اليوم. تم استخدام شبكة EtherCAT بنجاح في أنظمة التشغيل الآلي الموزعة ، حيث يتم تباعد العقد التفاعلية على مسافة طويلة.

يستخدم بروتوكول EtherCAT إطارات Ethernet قياسية لنقل البرقيات ، وبالتالي يتم الحفاظ على التوافق مع أي معدات Ethernet قياسية ، وفي الواقع ، يمكن ترتيب نقل البيانات ونقلها على أي جهاز تحكم Ethernet ، إذا كان البرنامج المقابل متاحًا.

مواصفات البروتوكول مفتوحة ويمكن الوصول إليها ، ولكن فقط في إطار جمعية التطوير - EtherCAT Technology Group.

إليك طريقة عمل EtherCAT (المشهد رائع ، مثل لعبة Zuma Inca):

يتم تحقيق ارتفاع سعر الصرف في هذا البروتوكول - ويمكننا التحدث عن وحدات من ميكروثانية - بسبب حقيقة أن المطورين رفضوا التبادل باستخدام البرقيات المرسلة مباشرة إلى جهاز معين. بدلاً من ذلك ، يتم إرسال برقية واحدة إلى شبكة EtherCAT ، موجهة إلى جميع الأجهزة في نفس الوقت ، كل عقد من العقد المرتبط بجمع ونقل المعلومات (يشار إليها غالبًا باسم USO - جهاز اتصال مع كائن) تلتقط منه أثناء التنقل البيانات التي كانت مخصصة لها ، وتدرجها في برقية البيانات التي هو على استعداد لتوفير للتبادل. بعد ذلك ، يتم إرسال البرقية إلى العقدة الفرعية التالية ، حيث تتم نفس العملية. بعد اجتياز كل ODR ، يتم إرجاع البرقية إلى وحدة التحكم الرئيسية ، والتي تقوم ، على أساس البيانات الواردة من أجهزة الرقيق ، بتنفيذ منطق التحكم ، والتفاعل مرة أخرى عن طريق البرقية مع عقد العبيد التي تصدر إشارة تحكم إلى الجهاز.

يمكن أن يكون لشبكة EtherCAT أي طوبولوجيا ، لكنها في الحقيقة ستكون دائمًا حلقة - بسبب استخدام وضع الطباعة على الوجهين الكامل وموصلي Ethernet. وبالتالي ، سيتم إرسال البرق دائمًا بالتتابع إلى كل جهاز على الحافلة.

بالمناسبة ، لا تحتوي مواصفات EtherCAT على قيود الطبقة المادية 100Base-TX ، وبالتالي ، فإن تنفيذ البروتوكول ممكن على أساس جيجابت وخطوط بصرية.

سيمنز شبكات الصناعة المفتوحة ومعايير PROFIBUS / NET

الاهتمام الألماني اشتهرت سيمنز منذ فترة طويلة بوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) ، والتي تستخدم في جميع أنحاء العالم.

يتم تنفيذ تبادل البيانات بين عقد نظام آلي تحت سيطرة معدات Siemens من خلال حافلة ميدانية تدعى PROFIBUS وفي شبكة PROFINET الصناعية.

تستخدم حافلة PROFIBUS كابلًا خاصًا من سلكين مع موصلات DB-9. في Siemens يكون لونه بنفسجي ، لكن في الممارسة العملية التقينا بالآخرين :). لتوصيل عقد متعددة ، يمكن للموصل توصيل كبلين. كما أن لديها مفتاح المقاوم المقاوم. يجب تشغيل المقاوم الطرفي في الأجهزة الطرفية للشبكة ، وبالتالي يُقال أن هذا هو الجهاز الأول أو الأخير ، وبعد ذلك لا يوجد شيء ، فقط الظلام والفراغ (تعمل جميع وحدات rs485 بهذه الطريقة). إذا قمت بتشغيل المقاوم على الموصل الوسيط ، فسيتم فصل القسم الذي يليه.

تستخدم شبكة PROFINET تمثيلا لكابل الزوج الملتوي ، عادة مع موصلات RJ-45 ، يكون الكبل مطلي باللون الأخضر. إذا كانت طوبولوجيا PROFIBUS عبارة عن حافلة ، فإن طوبولوجيا شبكة PROFINET يمكن أن تكون أي شيء: على الأقل حلقة ، نجمة على الأقل ، شجرة على الأقل ، كلها مجتمعة.

توجد عدة بروتوكولات اتصال على ناقل PROFIBUS وعلى شبكة PROFINET.

ل PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - تنفيذ هذا البروتوكول يعني التواصل مع العبيد عن بعد ، في حالة PROFINET ، يتوافق بروتوكول PROFINET IO مع هذا البروتوكول.
2. PROFIBUS PA - هو في الأساس نفس PROFIBUS DP ، يستخدم فقط للإصدارات المقاومة للانفجار من البيانات ونقل الطاقة (التناظرية لـ PROFIBUS DP مع الخصائص المادية الأخرى). بالنسبة لـ PROFINET ، لا يوجد بروتوكول مقاوم للانفجار عن طريق القياس مع PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS - مصمم لتبادل البيانات مع أنظمة من الشركات المصنعة الأخرى التي لا يمكن استخدام PROFIBUS DP. ما يعادل PROFIBUS FMS في شبكة PROFINET هو بروتوكول PROFINET CBA.

ل PROFINET:

1. PROFINET IO ؛
2. PROFINET CBA.

ينقسم بروتوكول PROFINET IO إلى عدة فئات:

• PROFINET NRT (لا يوجد وقت حقيقي) - يستخدم في التطبيقات التي لا تكون فيها معلمات الوقت مهمة. ويستخدم TCP / IP Ethernet وكذلك UDP / IP.
• PROFINET RT (في الوقت الحقيقي) - هنا يتم تنفيذ تبادل بيانات الإدخال / الإخراج باستخدام إطارات Ethernet ، لكن بيانات التشخيص والاتصالات لا تزال تنتقل عبر UDP / IP.
• PROFINET IRT (الوقت الحقيقي المتزامن) - تم تطوير هذا البروتوكول خصيصًا لتطبيقات التحكم في الحركة ويتضمن المرحلة المتزامنة لنقل البيانات.

بالنسبة لتطبيق بروتوكول الوقت الحقيقي الثابت PROFINET IRT ، يتم تخصيص قناتين للاتصال للاتصال بالأجهزة البعيدة: متزامنة وغير متزامنة. تستخدم القناة المتجانسة ذات طول دورة التبادل الزمني الثابت التزامن على مدار الساعة وتنقل البيانات الحساسة للوقت ؛ وتستخدم برقية المستوى الثاني للإرسال. مدة الإرسال في القناة متجانسة لا تتجاوز 1 ميلي ثانية.

في القناة غير المتزامنة ، يتم إرسال ما يسمى ببيانات الوقت الفعلي ، والتي يتم تناولها أيضًا عبر عنوان MAC. بالإضافة إلى ذلك ، يتم بالفعل إرسال معلومات تشخيصية ومساعدة متنوعة عبر TCP / IP. بطبيعة الحال ، لا يمكن لبيانات الوقت الفعلي ، أي معلومات أخرى أقل بكثير ، مقاطعة الدورة المتزامنة.

ليست هناك حاجة لمجموعة موسعة من وظائف PROFINET IO لكل نظام الأتمتة الصناعية ، وبالتالي يتم تحجيم هذا البروتوكول لمشروع معين ، مع الأخذ في الاعتبار فئات المطابقة أو فئات المطابقة: CC-A ، CC-B ، CC-CC. تسمح لك فئات التوافق بتحديد الأجهزة الميدانية ومكونات صندوق السيارة مع الحد الأدنى من الوظائف المطلوبة.

بروتوكول الاتصال الثاني في شبكة PROFINET - PROFINET CBA - يستخدم لتنظيم الاتصالات الصناعية بين المعدات من مختلف الشركات المصنعة. وحدة الإنتاج الرئيسية في أنظمة CBA هي كيان معين يسمى مكون. عادة ما يكون هذا المكون عبارة عن مزيج من الأجزاء الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية للجهاز أو التثبيت ، بالإضافة إلى برنامج التطبيق المقابل. لكل مكون ، يتم تحديد وحدة برامج تحتوي على وصف كامل لواجهة هذا المكون وفقًا لمتطلبات معيار PROFINET. ثم يتم استخدام وحدات البرامج هذه لتبادل البيانات مع الأجهزة.

B&R Ethernet POWERLINK Protocol

تم تطوير بروتوكول Powerlink بواسطة الشركة النمساوية B&R في أوائل العقد الأول من القرن العشرين. هذا هو تطبيق آخر لبروتوكول الوقت الفعلي عبر الإيثرنت. مواصفات البروتوكول متاحة ويتم توزيعها بحرية.

تستخدم تقنية Powerlink آلية الاستطلاع المختلط ، عندما ينقسم كل التفاعل بين الأجهزة إلى عدة مراحل. يتم إرسال البيانات الهامة بشكل خاص في مرحلة التبادل المتزامن ، والتي تم تكوين وقت الاستجابة المطلوب ، سيتم إرسال بقية البيانات إلى أقصى حد ممكن في المرحلة غير المتزامنة.

في البداية ، تم تنفيذ البروتوكول أعلى الطبقة المادية 100Base-TX ، ولكن تم تطوير تطبيق جيجابت لاحقًا.

يستخدم بروتوكول Powerlink آلية تخطيط التبادل. يتم إرسال رسالة رمزية أو تحكم معينة إلى الشبكة ، وبمساعدتها ، يتم تحديد أي من الأجهزة لديه حاليًا إذن لتبادل البيانات. يمكن لجهاز واحد فقط الوصول إلى البورصة في أي وقت.

في المرحلة المتزامنة ، يقوم جهاز التحكم في الاستقصاء بإرسال طلب إلى كل عقدة يجب أن يتم استلام البيانات الهامة منها.

يتم تنفيذ المرحلة المتزامنة ، كما ذكر بالفعل ، مع وقت دورة قابل للتعديل. في المرحلة غير المتزامنة من التبادل ، يتم استخدام مكدس بروتوكول IP ، ويطلب وحدة التحكم بيانات غير هامة من جميع العقد التي ترسل استجابة عند وصولها إلى الإرسال إلى الشبكة. يمكن ضبط نسبة الوقت بين المرحلتين المتزامنة وغير المتزامنة يدويًا.

روكويل أتمتة إيثرنت / بروتوكول IP

تم تطوير EtherNet / IP بمشاركة نشطة من Rockwell Automation في عام 2000. يستخدم مكدس TCP و UDP IP ، ويمدده للاستخدام في الأتمتة الصناعية. الجزء الثاني من الاسم ، خلافًا للاعتقاد الشائع ، لا يعني بروتوكول الإنترنت ، ولكن البروتوكول الصناعي. يستخدم بروتوكول UDP IP مكدس اتصالات CIP (بروتوكول الواجهة المشتركة) ، والذي يُستخدم أيضًا على شبكات ControlNet / DeviceNet ويتم تنفيذه عبر TCP / IP.

مواصفات EtherNet / IP عامة ومجانية. يمكن أن تكون طوبولوجيا شبكة Ethernet / IP تعسفية وتتضمن حلقة أو نجمة أو شجرة أو ناقل.

بالإضافة إلى الوظائف القياسية لبروتوكولات HTTP و FTP و SMTP و EtherNet / IP ، فإنها تنفذ عملية نقل البيانات الحساسة للوقت بين جهاز التحكم في الاستطلاعات وأجهزة الإدخال / الإخراج. يتم توفير نقل البيانات الحساسة للوقت بواسطة رزم TCP ، ويتم تسليم البيانات الحرجة للوقت عبر UDP.

لمزامنة الوقت في الأنظمة الموزعة ، يستخدم EtherNet / IP بروتوكول CIPsync ، وهو امتداد لبروتوكول اتصال CIP.

لتبسيط تكوين شبكة EtherNet / IP ، تأتي معظم أجهزة التشغيل الآلي القياسية مع ملفات التكوين المحددة مسبقًا.

تطبيق بروتوكول Fastwel FBUS

لقد فكروا لفترة طويلة فيما إذا كان سيتم تضمين الشركة الروسية Fastwel مع تنفيذها المحلي للبروتوكول الصناعي FBUS في هذه القائمة ، لكنهم قرروا بعد ذلك كتابة بضع فقرات لفهم حقائق استبدال الواردات بشكل أفضل.

هناك نوعان من التطبيقات البدنية لـ FBUS. أحدها هو ناقل يعمل فيه بروتوكول FBUS أعلى معيار RS485. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تطبيق FBUS في شبكة Ethernet صناعية.

من الصعب استدعاء FBUS بروتوكولًا عالي السرعة ، يعتمد وقت الاستجابة إلى حد كبير على عدد وحدات الإدخال والإخراج على الناقل وعلى معلمات التبادل ، وعادة ما يتراوح ما بين 0.5 إلى 10 ميلي ثانية. يمكن أن يحتوي عبودية FBUS واحدة على 64 وحدة إدخال / إخراج فقط. بالنسبة لـ fieldbus ، لا يمكن أن يتجاوز طول الكابل مترًا واحدًا ، وبالتالي ، فإننا لا نتحدث عن الأنظمة الموزعة. بدلاً من ذلك ، يتم ذلك ، ولكن فقط عند استخدام شبكة FBUS صناعية عبر TCP / IP ، مما يعني زيادة في وقت الاقتراع عدة مرات. يمكن استخدام موسعات الناقل لتوصيل الوحدات ، مما يجعل من الممكن وضع الوحدات في خزانة الأتمتة بشكل ملائم.

المجموع: كيف يتم استخدام كل هذا في الممارسة العملية في ACS TP

بطبيعة الحال ، فإن تنوع الأنواع في بروتوكولات نقل البيانات الصناعية الحديثة أكبر بكثير مما وصفنا في هذه المقالة. يرتبط بعضها بمصنّع معين ، وبعضها على العكس من ذلك ، عالمي. عند تطوير أنظمة التحكم الآلي في العمليات (APCS) ، يختار المهندس البروتوكولات المثلى ، مع مراعاة المهام والقيود المحددة (التقنية والميزانية).

إذا تحدثنا عن مدى انتشار بروتوكول تبادل معين ، فيمكننا عندئذٍ تقديم رسم تخطيطي لشبكات HMS Networks AB ، والذي يوضح حصص السوق من مختلف تقنيات التبادل في الشبكات الصناعية.

كما ترون في المخطط ، يحتل موقع PRONET و PROFIBUS من شركة Siemens مكانة رائدة.

يلخص الجدول أدناه بروتوكولات التبادل الموصوفة. يتم التعبير عن بعض المعلمات ، على سبيل المثال ، الأداء بعبارات مجردة: عالية / منخفضة. يمكن العثور على مكافئات عددية في مقالات تحليل الأداء.

تطبيقات بروتوكولات الاتصال الموصوفة والحافلات الميدانية والشبكات الصناعية متنوعة للغاية. بدءا من الصناعات الكيميائية والسيارات وتنتهي مع تقنيات الطيران والالكترونيات. هناك حاجة إلى بروتوكولات الاتصال عالية السرعة في أنظمة تحديد المواقع في الوقت الفعلي لمختلف الأجهزة والروبوتات.

ما هي البروتوكولات التي عملت معها وأين استخدمتها؟ تبادل الخبرات الخاصة بك في التعليقات. :)