Visão geral de protocolos modernos em sistemas de automação industrial

Em uma publicação anterior, falamos sobre como os barramentos e protocolos funcionam na automação industrial. Desta vez, nos concentramos em soluções de trabalho modernas: vamos ver quais protocolos são usados ​​em sistemas em todo o mundo. Considere a tecnologia das empresas alemãs Beckhoff e Siemens, Austrian B&R, American Rockwell Automation e Russian Fastwel. E também estudaremos soluções universais que não estão vinculadas a um fabricante específico, como EtherCAT e CAN.

No final do artigo, haverá uma tabela comparativa com as características dos protocolos EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet / IP e ModbusTCP.

Não incluímos os protocolos PRP, HSR, OPC UA e outros, como Neles, em Habré, já existem excelentes artigos de nossos colegas engenheiros envolvidos no desenvolvimento de sistemas de automação industrial. Por exemplo, "Protocolos" sem redundância "PRP e HSR" e "Gateways de protocolos de troca industrial para Linux. Construa você mesmo . "

Para começar, definimos a terminologia: Ethernet Industrial = rede industrial, Fieldbus = barramento de campo. Ocorre confusão na automação industrial russa em termos de fieldbus e rede industrial de baixo nível. Freqüentemente, esses termos são combinados em um único conceito vago de "nível inferior", que é chamado de barramento de campo e de barramento de nível inferior, embora possa não ser um barramento.

Padrão de Rede Industrial EtherCAT, desenvolvido por Beckhoff

O protocolo EtherCAT e a rede industrial são talvez um dos métodos mais rápidos de transferência de dados em sistemas de automação atualmente. A rede EtherCAT foi usada com sucesso em sistemas de automação distribuídos, onde os nós em interação são espaçados a longa distância.

O protocolo EtherCAT usa quadros Ethernet padrão para transmitir seus telegramas, portanto, a compatibilidade com qualquer equipamento Ethernet padrão é mantida e, de fato, a recepção e transmissão de dados podem ser organizadas em qualquer controlador Ethernet, se o software correspondente estiver disponível.

A especificação do protocolo é aberta e acessível, mas apenas dentro da estrutura da associação de desenvolvimento - EtherCAT Technology Group.

Eis como o EtherCAT funciona (a visão é fascinante, como o jogo Zuma Inca):

A alta taxa de câmbio neste protocolo - e podemos falar sobre unidades de microssegundos - é percebida devido ao fato de os desenvolvedores se recusarem a trocar usando telegramas enviados diretamente para um dispositivo específico. Em vez disso, um telegrama é enviado para a rede EtherCAT, endereçado a todos os dispositivos ao mesmo tempo, cada um dos nós subordinados para coletar e transmitir informações (geralmente chamados de USO - um dispositivo de comunicação com um objeto) pega nele rapidamente os dados que foram destinados a ele e os insere. em um telegrama os dados que ele está pronto para fornecer para troca. Depois disso, o telegrama é enviado para o próximo nó subordinado, onde a mesma operação ocorre. Depois de passar todo o ODR, o telegrama é retornado ao controlador principal, que, com base nos dados recebidos dos dispositivos escravos, implementa a lógica de controle, interagindo novamente por meio de um telegrama com os nós escravos que emitem um sinal de controle para o equipamento.

Uma rede EtherCAT pode ter qualquer topologia, mas na verdade sempre será um anel - devido ao uso do modo full duplex e dois conectores Ethernet. Assim, o telegrama será sempre transmitido sequencialmente para cada dispositivo no barramento.

A propósito, a especificação EtherCAT não contém limitações da camada física 100Base-TX, portanto, a implementação do protocolo é possível com base em linhas ópticas e de gigabit.

Siemens Open Industry Networks e padrões PROFIBUS / NET

A preocupação alemã da Siemens é conhecida por seus controladores lógicos programáveis ​​(PLCs), usados ​​em todo o mundo.

A troca de dados entre nós de um sistema automatizado sob o controle de equipamentos Siemens é implementada tanto através de um barramento de campo chamado PROFIBUS quanto na rede industrial PROFINET.

O barramento PROFIBUS utiliza um cabo especial de dois fios com conectores DB-9. Na Siemens, é roxo, mas, na prática, encontramos outros :). Para conectar vários nós, um conector pode conectar dois cabos. Ele também possui uma chave para um resistor de terminal. O resistor do terminal deve ser ligado nos dispositivos finais da rede, portanto, é relatado que este é o primeiro ou o último dispositivo e, depois dele, não há nada, apenas escuridão e vazio (todos os rs485 funcionam dessa maneira). Se você ligar o resistor no conector intermediário, a seção a seguir será desconectada.

A rede PROFINET utiliza um cabo analógico de um par trançado, geralmente com conectores RJ-45, o cabo é pintado de verde. Se a topologia do PROFIBUS é um barramento, a topologia da rede PROFINET pode ser qualquer coisa: pelo menos um anel, pelo menos uma estrela, pelo menos uma árvore, pelo menos todos juntos.

Existem vários protocolos de comunicação no barramento PROFIBUS e na rede PROFINET.

Para PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP - a implementação deste protocolo implica a comunicação com escravos remotos, no caso do PROFINET, o protocolo PROFINET IO corresponde a este protocolo.
2. PROFIBUS PA - é essencialmente o mesmo PROFIBUS DP, usado apenas para versões à prova de explosão de dados e transmissão de energia (analógico do PROFIBUS DP com outras propriedades físicas). Para o PROFINET, ainda não existe um protocolo à prova de explosão por analogia com o PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS - projetado para trocar dados com sistemas de outros fabricantes que não podem usar o PROFIBUS DP. O equivalente do PROFIBUS FMS na rede PROFINET é o protocolo PROFINET CBA.

Para PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

O protocolo PROFINET IO é dividido em várias classes:

• PROFINET NRT (sem tempo real) - usado em aplicações onde os parâmetros de tempo não são críticos. Ele usa Ethernet TCP / IP e também UDP / IP.
• PROFINET RT (tempo real) - aqui a troca de dados de entrada / saída é implementada usando quadros Ethernet, mas os dados de diagnóstico e comunicação ainda são transmitidos via UDP / IP.
• PROFINET IRT (tempo real isócrono) - Este protocolo foi desenvolvido especificamente para aplicações de controle de movimento e inclui a fase isócrona de transferência de dados.

Quanto à implementação do protocolo PROFINET IRT em tempo real, dois canais de comunicação são alocados para comunicação com dispositivos remotos: isócrono e assíncrono. Um canal isócrono com duração fixa de ciclo de troca de tempo usa sincronização de relógio e transmite dados críticos de tempo; telegramas de segundo nível são usados ​​para transmissão. A duração da transmissão no canal isócrono não excede 1 milissegundo.

No canal assíncrono, são transmitidos os chamados dados em tempo real, que também são endereçados pelo endereço MAC. Além disso, várias informações de diagnóstico e auxiliares já são transmitidas por TCP / IP. Nem dados em tempo real, muito menos outras informações, é claro, não podem interromper o ciclo isócrono.

Um conjunto expandido de funções PROFINET IO não é necessário para todos os sistemas de automação industrial; portanto, este protocolo é escalado para um projeto específico, levando em consideração as classes de conformidade ou de conformidade: CC-A, CC-B, CC-CC. As classes de conformidade permitem selecionar dispositivos de campo e componentes de tronco com a funcionalidade mínima necessária.

O segundo protocolo de comunicação na rede PROFINET - PROFINET CBA - é usado para organizar a comunicação industrial entre equipamentos de diferentes fabricantes. A principal unidade de produção nos sistemas CBA é uma certa entidade chamada componente. Esse componente geralmente é uma combinação das partes mecânicas, elétricas e eletrônicas do dispositivo ou instalação, bem como o software aplicativo correspondente. Para cada componente, é selecionado um módulo de software que contém uma descrição completa da interface desse componente, de acordo com os requisitos da norma PROFINET. Em seguida, esses módulos de software são usados ​​para trocar dados com dispositivos.

Protocolo POWERLINK Ethernet da B&R

O protocolo Powerlink foi desenvolvido pela empresa austríaca B&R no início dos anos 2000. Esta é outra implementação do protocolo em tempo real sobre Ethernet. A especificação do protocolo está disponível e distribuída livremente.

A tecnologia Powerlink usa o mecanismo da chamada pesquisa mista, quando toda a interação entre dispositivos é dividida em várias fases. Dados particularmente críticos são transmitidos na fase de troca isócrona, para a qual o tempo de resposta necessário está configurado, o restante dos dados será transmitido o mais longe possível na fase assíncrona.

Inicialmente, o protocolo foi implementado no topo da camada física 100Base-TX, mas uma implementação de gigabit foi desenvolvida posteriormente.

O protocolo Powerlink usa um mecanismo de planejamento de troca. Um determinado token ou mensagem de controle é enviado para a rede, com a ajuda dele, é determinado qual dos dispositivos atualmente tem permissão para trocar dados. Somente um dispositivo pode ter acesso à troca a qualquer momento.

Na fase isócrona, o controlador de polling envia sequencialmente uma solicitação para cada nó do qual os dados críticos devem ser recebidos.

A fase isócrona é realizada, como já mencionado, com um tempo de ciclo ajustável. Na fase assíncrona da troca, a pilha do protocolo IP é usada, o controlador solicita dados não críticos a todos os nós que enviam uma resposta à medida que obtêm acesso à transmissão para a rede. A relação de tempo entre as fases isócrona e assíncrona pode ser ajustada manualmente.

Protocolo Ethernet / IP da Rockwell Automation

O EtherNet / IP foi desenvolvido com a participação ativa da Rockwell Automation em 2000. Ele usa a pilha IP TCP e UDP e a estende para uso em automação industrial. A segunda parte do nome, contrariamente à crença popular, não significa o Protocolo da Internet, mas o Protocolo Industrial. O IP UDP usa a pilha de comunicação CIP (Common Interface Protocol), que também é usada em redes ControlNet / DeviceNet e é implementada em TCP / IP.

A especificação EtherNet / IP é pública e gratuita. A topologia de rede Ethernet / IP pode ser arbitrária e incluir um anel, estrela, árvore ou barramento.

Além das funções padrão dos protocolos HTTP, FTP, SMTP, EtherNet / IP, ele implementa a transferência de dados críticos de tempo entre o controlador de polling e os dispositivos de entrada / saída. A transmissão de dados críticos em termos de tempo é fornecida por pacotes TCP e a entrega crítica em termos de tempo de dados de controle cíclico é via UDP.

Para sincronização de tempo em sistemas distribuídos, o EtherNet / IP usa o protocolo CIPsync, que é uma extensão do protocolo de comunicação CIP.

Para simplificar a configuração da rede EtherNet / IP, a maioria dos dispositivos de automação padrão vem com arquivos de configuração predefinidos.

Implementação do protocolo Fastwel FBUS

Eles pensaram por um longo tempo se deveriam incluir a empresa russa Fastwel na implementação doméstica do protocolo industrial FBUS nesta lista, mas decidiram escrever alguns parágrafos para entender melhor a realidade da substituição de importações.

Existem duas implementações físicas do FBUS. Um deles é um barramento no qual o protocolo FBUS é executado sobre o padrão RS485. Além disso, há uma implementação do FBUS em uma rede Ethernet industrial.

É difícil chamar o FBUS de protocolo de alta velocidade, o tempo de resposta depende muito do número de módulos de entrada-saída no barramento e dos parâmetros de troca, geralmente varia entre 0,5 e 10 milissegundos. Um escravo FBUS pode conter apenas 64 módulos de E / S. Para um barramento de campo, o comprimento do cabo não pode exceder 1 metro; portanto, não estamos falando de sistemas distribuídos. Pelo contrário, continua, mas apenas ao usar uma rede industrial FBUS sobre TCP / IP, o que significa um aumento no tempo de pesquisa várias vezes. Os extensores de barramento podem ser usados ​​para conectar os módulos, o que torna possível colocar convenientemente os módulos no gabinete de automação.

Total: como tudo isso é usado na prática no ACS TP

Naturalmente, a diversidade de espécies dos modernos protocolos industriais de transferência de dados é muito maior do que a descrita neste artigo. Alguns estão vinculados a um fabricante específico, outros, pelo contrário, são universais. Ao desenvolver sistemas de controle de processo automatizado (APCS), o engenheiro seleciona os protocolos ideais, levando em consideração tarefas e limitações específicas (técnica e orçamento).

Se falamos sobre a prevalência de um protocolo de troca específico, podemos dar um diagrama da HMS Networks AB , que ilustra as quotas de mercado de várias tecnologias de troca em redes industriais.

Como você pode ver no diagrama, PRONET e PROFIBUS da Siemens ocupam uma posição de liderança.

A tabela abaixo resume os protocolos de troca descritos. Alguns parâmetros, por exemplo, desempenho são expressos em termos abstratos: alto / baixo. Equivalentes numéricos podem ser encontrados em artigos de análise de desempenho.

As aplicações dos protocolos de comunicação descritos, barramentos de campo e redes industriais são muito diversas. Começando pelas indústrias química e automotiva e terminando com tecnologias aeroespaciais e eletrônica. Protocolos de comunicação de alta velocidade são requisitados em sistemas de posicionamento em tempo real para vários dispositivos e em robótica.

Com quais protocolos você trabalhou e onde o usou? Compartilhe suas experiências nos comentários. :)