Промышленные протоколы связи, включая традиционные полевые шины и перестановки на основе промышленного Ethernet, представляют собой системы правил для обмена сообщениями между компонентами автоматизации. Вариаций предостаточно, и нет доминирующей настройки, с которой работают все устройства. Что очевидно, так это то, что средства связи, предлагающие больше возможностей подключения, чем аналоговые средства связи с токовым контуром (от 4 до 20 мА), продолжают распространяться даже в некогда простых приложениях для управления движением.

Аппаратное обеспечение последовательной сети и проприетарные протоколы сохраняются, а сети полевой шины (особенно PROFIBUS) сохраняются и развиваются. Полевые шины, определенные IEC 61158, работают в установках, для которых они были разработаны, и за их пределами, используются тысячами компонентов, проданных и используемых сегодня. Но в то время как некоторые полевые шины все еще могут быть более надежными, чем недетерминированные настройки Ethernet, скорость Ethernet стала ведущей.

Поэтому неудивительно, что промышленные сети на базе Ethernet продолжают распространяться быстрее, чем другие варианты, так что в настоящее время они являются частью почти 40% всех промышленных сетей связи. Другие причины включают в себя повсеместный и стандартизированный дизайн Ethernet; широкую поддержку; экономию за счет масштаба в мире информационных технологий, бытовой электроники и коммерческого готового Ethernet (CotS); простоту использования и знакомство; возможность использования нескольких протоколов в сети; и (поскольку он часто встроен) отказ от традиционных карт сетевого интерфейса.

Напомним, что на оборудовании USB, RS-232, RS-485 и Ethernet соединения дополняют коммуникационные шины, но не являются протоколами и не представляют собой полные настройки. Чтобы проиллюстрировать, Ethernet — это всего лишь основа для протокола POWERLINK. Управляющее оборудование часто определяет, какую связь по полевой шине будет использовать проект. Одним из преимуществ здесь является то, что предложения, использующие традиционные сети устройств и полевых шин, могут иметь несколько физических уровней (включая RS-232, RS-485 и CAN), но сети Ethernet работают на одном физическом уровне, соответствующем стандарту IEEE 802.3. Более того, даже несмотря на то, что более старые версии, такие как 802.3c, работают медленнее, чем 802.3ab (со скоростью 1 Гбит / сек — версия под названием GbE), все они используют кабель Cat. 5e. Это упрощает все варианты реализации промышленного Ethernet. Фактически, многие компоненты полевой шины могут подключаться к блокам, поддерживающим подключение по Ethernet. Подключившись к сети Ethernet, они подключаются через разъемы Ethernet RJ45 и Cat. Кабель 5E.

Стандартизация Ethernet также облегчает функции IIoT, поскольку существует общность между системами сетевого взаимодействия с системами корпоративного уровня, подключенными машинами, вводом-выводом и функциями и компонентами на уровне устройств. Эти унифицированные архитектуры IIoT включают в себя даже варианты беспроводной связи и подключение к Интернету для систем в облаке. Это позволяет осуществлять коммуникации, объединяющие множество потоков данных, связанных с:

Итак, теперь давайте рассмотрим пять ведущих протоколов реального времени, которые используют преимущества и также обеспечивают детерминированную сеть: CC-Link, EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET и SERCOS III.

CC-Link партнерской ассоциации CC-Link (CLPA) — это протокол, который включает в себя полевое устройство, контроллер и информационную сеть. Версии CC-Link поддерживают различные уровни физического уровня и включают CC-Link, CC-Link/LT, CC-Link Safety и CC-Link Industrial Ethernet (IE) Control and Field. Стандарт также охватывает протокол бесшовных сообщений (SLMP), программный протокол, позволяющий устройствам с поддержкой Ethernet работать в сетях CC-Link IE. Существует также новая версия спецификации языка описания (Профиль системы управления и связи или CSP+) для упрощения интеграции инженерных инструментов и профилей устройств. Более конкретно, CSP+ — это спецификация, в которой излагаются необходимые данные для настройки, эксплуатации и технического обслуживания устройств, совместимых с CC-Link.

Хотя некоторые по-прежнему считают сеть проприетарной, CC-Link — это открытый протокол, который множество производителей оборудования используют для предоставления сетевых функций ПК, ПЛК, роботам, сервомоторам, приводам, цифровым и аналоговым модулям ввода-вывода и различным контроллерам. Протокол имеет скорость до 10 Мбит / с на 100 м и хорошую скорость на более длительных пробегах.

Пересмотрите поле CC-Link IE, которое поддерживает требования продвинутой автоматизации. Он использует GbE, поэтому может обрабатывать объемы и скорости потоков данных IIoT. Сеть соединяет устройства полевого уровня с контроллерами; она также соединяет контроллеры с другими контроллерами и обеспечивает абсолютную детерминированную связь без использования коммутаторов или детального знания сетей Ethernet. Поле CC-Link IE одобрено IEC для обеспечения безопасности связи; оно также поддерживает интегрированное управление движением и энергопотреблением. Фактически, это редкая реализация промышленного Ethernet, фактически разработанная с самого начала для промышленных сред с сетью на основе токенов (в которой все сетевые устройства сохраняют контроль над сетью в течение установленного времени) для изначально детерминированного управления.

EtherCAT — это сокращение от Ethernet для технологии автоматизации управления. Он использует Ethernet и витую пару или коаксиальные кабели с адаптерами BNC на расстояниях до 1000 м и оптоволоконный кабель за их пределами. Скорость передачи данных соответствует скорости Ethernet, а EtherCAT может контролировать до 65 535 узлов. Разработанный Бекхоффом, он отличается быстрой и детерминированной обработкой данных с использованием специального программного и аппаратного обеспечения. Он подходит для любой топологии и использует полнодуплексную конфигурацию ведущий-ведомый. Он обрабатывает 1000 точек ввода-вывода за 30 мкс и взаимодействует со 100 сервоосями за 100 мкс. Оси получают установленные значения и управляющие данные и сообщают о фактическом положении и статусе. Технология распределенной синхронизации, представляющая собой простую версию стандарта IEEE 1588, синхронизирует оси с дрожанием менее 1 мкс.

Протокол EtherCAT обеспечивает высокую пропускную способность, поскольку аппаратное обеспечение обрабатывает сообщения перед пересылкой следующему ведомому устройству. Каждое подчиненное устройство считывает данные, относящиеся только к нему, по мере прохождения фрейма данных и вставляет новые данные в этот поток данных на лету. Эта процедура не зависит от времени выполнения стека протоколов, поэтому задержки обработки обычно составляют всего несколько нсек.

Ethernet/IP (сокращение от Ethernet Industrial Protocol) началось с принятия компанией Rockwell Automation стандартов Common Industrial Protocol (CIP). EtherNet/IP — это промышленный протокол прикладного уровня для связи между промышленными элементами управления и компонентами, такими как программируемые контроллеры автоматизации, ПЛК и устройства ввода-вывода. В качестве реализации CIP протокол использует стандарт TCP/IP (IEEE 802.3) и средства связи в существующей сетевой инфраструктуре. Аппаратное обеспечение Ethernet соединяется с портами TCP и UDP. Основным преимуществом Ethernet / IP (на самом деле общим для всех протоколов, которые мы описываем здесь) является безошибочный прогресс физического Ethernet с 10 Мбит / с до 10/100 Мбит / с, GbE и более.

Рассмотрим конкретный случай Ethernet/IP CIP Motion — детерминированного предложения от Ассоциации поставщиков Open DeviceNet (ODVA) для поддержки многоосевого распределенного управления движением. Короче говоря, профили приложений позволяют пользователям устанавливать положение, скорость и крутящий момент в приводе. Это плюс технология ODVA CIP Sync (синхронизация часов, совместимая с IEEE-1588, отображаемая в объектных моделях CIP) позволяет синхронизировать многоосевое управление движением.

Сравните это с синхронизацией на основе событий, которая использует строго запланированные поставки критически важных данных по сети. Такая синхронизация требует дрожания менее 1 мкс для циклических данных, чтобы получить точное позиционирование и управление скоростью, которые не может обеспечить уровень данных традиционного Ethernet Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA /CD). ODVA EtherNet/IP преодолевает это ограничение без изменения четырех нижних уровней стандартного Ethernet. Здесь Ethernet и TCP/UDP/IP остаются неизмененными, и обязательство по детерминизму возлагается на сетевые устройства. Они используют предварительные данные синхронизации, строго синхронизированные часы устройства и информацию о сообщениях с отметками времени для обработки требований в реальном времени, поэтому EtherNet / IP с CIP Motion имеет синхронизацию часов более чем на 200 нсек, чтобы удовлетворить даже требовательные приложения для управления движением.

SERCOS (сокращение от Serial Realtime Communications System) — это открытый протокол для высокоскоростной последовательной передачи стандартных данных в режиме реального времени с замкнутым контуром по помехозащищенным волоконно-оптическим кольцам (в случае SERCOS I и II) или промышленному кабелю Ethernet в случае SERCOS III. Это цифровая шина для сетевых контроллеров движения, приводов, ввода-вывода, датчиков и исполнительных механизмов для машин и систем с числовым программным управлением. Интерфейсы SERCOS закрывают контуры сервопривода в приводе, чтобы уменьшить вычислительную нагрузку на контроллер движения (и синхронизировать больше осей движения, чем это возможно в противном случае). Замыкание контуров сервопривода таким образом также сводит к минимуму эффект задержек при транспортировке между органами управления движением и приводами.

SERCOS III — это версия, соответствующая стандарту IEC. Он сочетает в себе преимущества Ethernet и предыдущих разработок SERCOS для детерминированного двунаправленного движения и управления в реальном времени. Он также обеспечивает расширенную связь ввода—вывода и эффективную передачу всех обычных протоколов по одной и той же сети Ethernet — параллельно — с SERCOS realtime communication. Время цикла SERCOS III сокращено до 31,25 мкс. Он поддерживает 511 подчиненных устройств в каждой сети, причем при установке возможно несколько сетей.

PROFIBUS (от зонтичной организации PROFIBUS & PROFINET Intl. или PI) — сокращение от Process Field Bus. Это наиболее распространенная классическая последовательная полевая шина, которая используется почти на 20% всех подключенных к сети промышленных установок. В конструкции используется связь slave-slave, master-slave и master-master по витой паре или оптоволоконному кабелю. Сравните это с PROFINET от той же организации, которая использует промышленный Ethernet для увеличения пропускной способности и скорости. Как и PROFIBUS, он использует GSD-файлы для определения аппаратного обеспечения подключенных устройств (хотя GSD-файлы PROFIBUS имеют формат ASCII, а GSD-файлы PROFINET — XML). Пользователи PROFIBUS получают выгоду от ознакомления с дизайном при переходе на PROFINET.

Как и в случае с другими протоколами, основа PROFINET в Ethernet обеспечивает больший размер сообщений, лучшую пропускную способность и неограниченное адресное пространство (хотя в последнем случае контроллеры накладывают ограничения на процессор и память). Еще одна причина высокой скорости PROFINET заключается в настройках «поставщик-потребитель», которые (в отличие от более привычных настроек «ведущий-ведомый») не определяют устройство, управляющее сетью. Эти механизмы позволяют узлам в сети обмениваться данными по мере необходимости. Поскольку PROFINET использует коммутируемые сети Ethernet, в которых отсутствуют коллизии, он обеспечивает детерминированную связь на всех скоростях, используя как функции реального времени, так и функции изохронного реального времени (IRT). Функциональность в реальном времени сокращает время обновления до 250 мкс, в то время как PROFINET IRT имеет его до 31,25 мкс для синхронизации всех сетевых компонентов.