Tinjauan umum protokol modern dalam sistem otomasi industri

Dalam publikasi sebelumnya, kami berbicara tentang cara kerja bus dan protokol dalam otomasi industri. Kali ini kami fokus pada solusi kerja modern: mari kita lihat protokol apa yang digunakan dalam sistem di seluruh dunia. Pertimbangkan teknologi perusahaan Jerman Beckhoff dan Siemens, B&R Austria, American Rockwell Automation, dan Fastwel Rusia. Dan juga kami akan mempelajari solusi universal yang tidak terikat pada produsen tertentu, seperti EtherCAT dan CAN.

Pada akhir artikel akan ada tabel komparatif dengan karakteristik protokol EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet / IP dan ModbusTCP.

Kami tidak menyertakan protokol PRP, HSR, OPC UA, dan lainnya, seperti pada mereka di Habré sudah ada artikel bagus dari sesama insinyur kami yang terlibat dalam pengembangan sistem otomasi industri. Misalnya, "protokol" mulus "redundansi PRP dan HSR" dan "Gateway protokol pertukaran industri untuk Linux. Bangun sendiri . "

Untuk memulainya, kita mendefinisikan terminologi: Industrial Ethernet = jaringan industri, Fieldbus = field bus. Kebingungan terjadi dalam otomasi industri Rusia dalam hal fieldbus dan jaringan industri tingkat rendah. Seringkali istilah-istilah ini digabungkan menjadi satu konsep "tingkat bawah" yang tidak jelas, yang disebut bus lapangan dan bus tingkat bawah, walaupun ini mungkin bukan bus sama sekali.

Standar Jaringan Industri EtherCAT, dikembangkan oleh Beckhoff

Protokol EtherCAT dan jaringan industri mungkin merupakan salah satu metode transfer data tercepat dalam sistem otomasi saat ini. Jaringan EtherCAT telah berhasil digunakan dalam sistem otomasi terdistribusi, di mana node yang berinteraksi ditempatkan pada jarak yang jauh.

Protokol EtherCAT menggunakan frame Ethernet standar untuk mentransmisikan telegramnya, oleh karena itu kompatibilitas dengan peralatan Ethernet standar dipertahankan dan, pada kenyataannya, penerimaan data dan transmisi dapat diatur pada pengontrol Ethernet apa pun, jika perangkat lunak yang sesuai tersedia.

Spesifikasi protokol terbuka dan dapat diakses, tetapi hanya dalam kerangka asosiasi pengembangan - EtherCAT Technology Group.

Inilah cara kerja EtherCAT (pemandangan itu memesona, seperti game Zuma Inca):

Nilai tukar tinggi dalam protokol ini - dan kita dapat berbicara tentang satuan mikrodetik - direalisasikan karena fakta bahwa pengembang menolak untuk bertukar menggunakan telegram yang dikirim langsung ke perangkat tertentu. Sebagai gantinya, satu telegram dikirim ke jaringan EtherCAT, ditujukan ke semua perangkat pada saat yang sama, masing-masing node bawahan untuk mengumpulkan dan mentransmisikan informasi (mereka sering disebut sebagai USO - perangkat komunikasi dengan objek) mengambil darinya dengan cepat data yang dimaksudkan untuknya, dan menyisipkannya dalam telegram data yang siap dia berikan untuk ditukar. Setelah ini, telegram dikirim ke simpul bawahan berikutnya, di mana operasi yang sama terjadi. Setelah melewati semua ODR, telegram dikembalikan ke pengontrol utama, yang, berdasarkan data yang diterima dari perangkat slave, mengimplementasikan logika kontrol, sekali lagi berinteraksi melalui telegram dengan node slave yang mengeluarkan sinyal kontrol ke peralatan.

Jaringan EtherCAT dapat memiliki topologi apa pun, tetapi pada kenyataannya itu akan selalu menjadi cincin - karena penggunaan mode dupleks penuh dan dua konektor Ethernet. Dengan demikian, telegram akan selalu dikirimkan secara berurutan ke setiap perangkat di dalam bus.

Ngomong-ngomong, spesifikasi EtherCAT tidak mengandung batasan dari lapisan fisik 100Base-TX, oleh karena itu, implementasi protokol dimungkinkan berdasarkan garis gigabit dan optik.

Jaringan Industri Terbuka Siemens dan Standar PROFIBUS / NET

Perhatian Jerman, Siemens telah lama dikenal karena pengendali logika yang dapat diprogram (PLC), yang digunakan di seluruh dunia.

Pertukaran data antara node dari sistem otomatis di bawah kendali peralatan Siemens diimplementasikan baik melalui bus lapangan yang disebut PROFIBUS dan dalam jaringan industri PROFINET.

Bus PROFIBUS menggunakan kabel dua kawat khusus dengan konektor DB-9. Di Siemens warnanya ungu, tetapi dalam praktiknya kami telah bertemu orang lain :). Untuk menghubungkan beberapa node, sebuah konektor dapat menghubungkan dua kabel. Ini juga memiliki saklar untuk resistor terminal. Terminal resistor harus dihidupkan pada perangkat akhir jaringan, sehingga dilaporkan bahwa ini adalah perangkat pertama atau terakhir, dan setelah itu tidak ada apa-apa, hanya kegelapan dan kekosongan (semua rs485 bekerja dengan cara ini). Jika Anda menyalakan resistor pada konektor perantara, bagian yang mengikutinya akan terputus.

Jaringan PROFINET menggunakan analog kabel twisted pair, biasanya dengan konektor RJ-45, kabel dicat hijau. Jika topologi PROFIBUS adalah bus, maka topologi jaringan PROFINET dapat berupa apa saja: setidaknya sebuah cincin, setidaknya sebuah bintang, setidaknya sebuah pohon, setidaknya semua diambil bersama-sama.

Beberapa protokol komunikasi ada di bus PROFIBUS dan di jaringan PROFINET.

Untuk PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - implementasi protokol ini menyiratkan komunikasi dengan budak jarak jauh, dalam kasus PROFINET, protokol IO PROFINET sesuai dengan protokol ini.
2. PROFIBUS PA - pada dasarnya adalah PROFIBUS DP yang sama, hanya digunakan untuk versi data ledakan-bukti dan transmisi daya (analog dari PROFIBUS DP dengan sifat fisik lainnya). Untuk PROFINET, protokol anti ledakan dengan analogi dengan PROFIBUS belum ada.
3. PROFIBUS FMS - dirancang untuk bertukar data dengan sistem dari pabrikan lain yang tidak dapat menggunakan PROFIBUS DP. Setara dengan PROFIBUS FMS dalam jaringan PROFINET adalah protokol CBA PROFINET.

Untuk PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. CBA PROFINET.

Protokol PROFINET IO dibagi menjadi beberapa kelas:

• PROFINET NRT (no real time) - digunakan dalam aplikasi di mana parameter waktu tidak kritis. Ini menggunakan Ethernet TCP / IP serta UDP / IP.
• PROFINET RT (waktu nyata) - di sini pertukaran data input / output diimplementasikan menggunakan frame Ethernet, tetapi data diagnostik dan komunikasi masih dikirim melalui UDP / IP.
• PROFINET IRT (isochronous real time) - Protokol ini dikembangkan secara khusus untuk aplikasi kontrol gerak dan mencakup fase isochronous transfer data.

Adapun implementasi protokol waktu nyata keras PROFINET IRT, dua saluran komunikasi dialokasikan untuk komunikasi dengan perangkat jarak jauh: isochronous dan asynchronous. Saluran isochronous dengan panjang siklus pertukaran waktu tetap menggunakan sinkronisasi jam dan mentransmisikan data penting-waktu, telegram tingkat kedua digunakan untuk transmisi. Durasi transmisi dalam saluran isochronous tidak melebihi 1 milidetik.

Dalam saluran asinkron, yang disebut data waktu-nyata ditransmisikan, yang juga dialamatkan melalui alamat MAC. Selain itu, berbagai informasi diagnostik dan tambahan sudah dikirimkan melalui TCP / IP. Baik data real-time, apalagi informasi lain, tentu saja, tidak dapat mengganggu siklus isochronous.

Seperangkat fungsi PROFINET IO yang diperluas tidak diperlukan untuk setiap sistem otomasi industri, oleh karena itu protokol ini diskalakan untuk proyek tertentu, dengan mempertimbangkan kelas kesesuaian atau kelas kesesuaian: CC-A, CC-B, CC-CC. Kelas kepatuhan memungkinkan Anda memilih perangkat bidang dan komponen trunk dengan fungsionalitas minimum yang disyaratkan.

Protokol komunikasi kedua dalam jaringan PROFINET - PROFINET CBA - digunakan untuk mengatur komunikasi industri antara peralatan dari berbagai produsen. Unit produksi utama dalam sistem CBA adalah entitas tertentu yang disebut komponen. Komponen ini biasanya merupakan kombinasi bagian mekanik, listrik dan elektronik dari perangkat atau instalasi, serta perangkat lunak aplikasi yang sesuai. Untuk setiap komponen, modul perangkat lunak dipilih yang berisi uraian lengkap antarmuka komponen ini sesuai dengan persyaratan standar PROFINET. Kemudian modul perangkat lunak ini digunakan untuk bertukar data dengan perangkat.

Protokol POWERLINK B&R Ethernet

Protokol Powerlink dikembangkan oleh perusahaan Austria B&R pada awal 2000-an. Ini adalah implementasi lain dari protokol real-time melalui Ethernet. Spesifikasi protokol tersedia dan didistribusikan secara bebas.

Teknologi Powerlink menggunakan mekanisme yang disebut jajak pendapat campuran, ketika semua interaksi antara perangkat dibagi menjadi beberapa fase. Khususnya data kritis ditransmisikan dalam fase pertukaran isochronous, yang mana waktu respons yang diperlukan dikonfigurasi, sisa data akan dikirim sejauh mungkin dalam fase asinkron.

Awalnya, protokol diimplementasikan di atas lapisan fisik 100Base-TX, tetapi implementasi gigabit kemudian dikembangkan.

Protokol Powerlink menggunakan mekanisme perencanaan pertukaran. Token atau pesan kontrol tertentu dikirim ke jaringan, dengan bantuan itu ditentukan perangkat mana yang saat ini memiliki izin untuk bertukar data. Hanya satu perangkat yang dapat memiliki akses ke bursa kapan saja.

Dalam fase isochronous, pengendali polling secara berurutan mengirimkan permintaan ke setiap node dari mana data penting harus diterima.

Fase isokron dilakukan, seperti yang telah disebutkan, dengan waktu siklus yang dapat disesuaikan. Pada fase asinkron pertukaran, stack protokol IP digunakan, controller meminta data non-kritis dari semua node yang mengirim respons ketika mereka mendapatkan akses ke transmisi ke jaringan. Rasio waktu antara fase isokron dan asinkron dapat disesuaikan secara manual.

Rockwell Automation Ethernet / IP Protocol

EtherNet / IP dikembangkan dengan partisipasi aktif dari Rockwell Automation pada tahun 2000. Ia menggunakan stack IP TCP dan UDP, dan memperluasnya untuk digunakan dalam otomasi industri. Bagian kedua dari nama itu, bertentangan dengan kepercayaan populer, tidak berarti Protokol Internet, tetapi Protokol Industri. IP UDP menggunakan tumpukan komunikasi CIP (Common Interface Protocol), yang juga digunakan pada jaringan ControlNet / DeviceNet dan diimplementasikan melalui TCP / IP.

Spesifikasi EtherNet / IP bersifat publik dan gratis. Topologi jaringan Ethernet / IP dapat berubah-ubah dan menyertakan cincin, bintang, pohon, atau bus.

Selain fungsi standar protokol HTTP, FTP, SMTP, EtherNet / IP, protokol ini mengimplementasikan transfer data penting waktu antara pengontrol polling dan perangkat input / output. Transmisi data kritis-waktu disediakan oleh paket-paket TCP, dan pengiriman kritis-waktu dari data kontrol siklik adalah melalui UDP.

Untuk sinkronisasi waktu dalam sistem terdistribusi, EtherNet / IP menggunakan protokol CIPsync, yang merupakan perpanjangan dari protokol komunikasi CIP.

Untuk menyederhanakan konfigurasi jaringan EtherNet / IP, sebagian besar perangkat otomatisasi standar dilengkapi dengan file konfigurasi yang telah ditentukan.

Implementasi protokol Fastwel FBUS

Mereka berpikir lama untuk memasukkan perusahaan Fastwel Rusia dengan implementasi protokol industri FBUS dalam daftar ini di dalam negeri, tetapi kemudian mereka memutuskan untuk menulis beberapa paragraf untuk lebih memahami realitas substitusi impor.

Ada dua implementasi fisik FBUS. Salah satunya adalah bus di mana protokol FBUS berjalan di atas standar RS485. Selain itu, ada implementasi FBUS dalam jaringan Ethernet industri.

Sulit menyebut FBUS sebagai protokol kecepatan tinggi, waktu respons sangat tergantung pada jumlah modul input / output pada bus dan pada parameter pertukaran, biasanya bervariasi antara 0,5-10 milidetik. Satu budak FBUS hanya dapat berisi 64 modul I / O. Untuk fieldbus, panjang kabel tidak boleh melebihi 1 meter, oleh karena itu, kita tidak berbicara tentang sistem terdistribusi. Sebaliknya, itu berjalan, tetapi hanya ketika menggunakan jaringan FBUS industri melalui TCP / IP, yang berarti peningkatan waktu pemungutan suara beberapa kali. Extender bus dapat digunakan untuk menghubungkan modul, yang memungkinkan untuk menempatkan modul di kabinet otomasi.

Total: bagaimana semua ini digunakan dalam praktik di ACS TP

Secara alami, keanekaragaman spesies dari protokol transfer data industri modern jauh lebih besar daripada yang kami jelaskan dalam artikel ini. Beberapa terikat pada produsen tertentu, beberapa sebaliknya bersifat universal. Ketika mengembangkan sistem kontrol proses otomatis (APCS), insinyur memilih protokol yang optimal, dengan mempertimbangkan tugas dan batasan khusus (teknis dan anggaran).

Jika kita berbicara tentang prevalensi protokol pertukaran tertentu, maka kita dapat memberikan diagram HMS Networks AB , yang menggambarkan pangsa pasar berbagai teknologi pertukaran dalam jaringan industri.

Seperti yang dapat Anda lihat dalam diagram, PRONET dan PROFIBUS dari Siemens menempati posisi terdepan.

Tabel di bawah ini merangkum protokol pertukaran yang dijelaskan. Beberapa parameter, misalnya, kinerja dinyatakan dalam istilah abstrak: tinggi / rendah. Setara numerik dapat ditemukan dalam artikel analisis kinerja.

Aplikasi protokol komunikasi yang dijelaskan, bus lapangan dan jaringan industri sangat beragam. Mulai dari industri kimia dan otomotif dan diakhiri dengan teknologi dirgantara dan elektronik. Protokol komunikasi berkecepatan tinggi diminati dalam sistem penentuan posisi waktu-nyata untuk berbagai perangkat dan robot.

Protokol apa yang Anda gunakan dan di mana Anda menggunakannya? Bagikan pengalaman Anda dalam komentar. :)