Промышленные коммуникационные протоколы, 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 работали бы все устройства. Что очевидно, так это то, что средства связи, обеспечивающие более широкие возможности 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 последовательных сетей и проприетарные протоколы сохраняются, а сети полевых шин (особенно PROFIBUS) сохраняются и развиваются. Полевые шины, определенные стандартом IEC 61158, работают в установках, для которых они были разработаны, и за их пределами, используются тысячами компонентов, проданных и используемых сегодня. Но хотя некоторые полевые шины все еще могут быть более надежными, чем недетерминированные настройки Ethernet, скорость Ethernet стала лидирующей.
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 сфере информационных технологий, бытовой электроники и коммерческого готового Ethernet (CotS); простоту использования и знакомство; возможность использования нескольких протоколов в сети; и (поскольку он часто является встроенным) отказ от традиционных сетевых интерфейсных плат.
Напомним, что на оборудовании USB, RS-232, RS-485 и Ethernet соединения дополняют коммуникационные шины, но не являются протоколами и не представляют собой законченные настройки. Чтобы проиллюстрировать это, Ethernet является всего лишь основой 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, несмотря на то, что более старые версии, такие как 802.3c, работают медленнее, чем 802.3ab (со скоростью 1 Гбит/с — версия под названием GbE), все они используют кабель Cat. 5e. Это упрощает все изменения в реализации промышленного Ethernet. Фактически, многие компоненты полевой шины могут подключаться к блокам, поддерживающим подключение по Ethernet. Подключившись к Ethernet, они подключаются через разъемы Ethernet RJ45 и Cat. Кабель 5E.
Стандартизация Ethernet также облегчает функции IIoT, поскольку существует общность между системами для создания сетей с системами корпоративного уровня, подключенными машинами, функциями ввода-вывода и компонентами на уровне устройств. Эти унифицированные архитектуры IIoT включают в себя даже варианты беспроводной связи и подключение к Интернету облачных систем. Это обеспечивает связь, объединяющую мириады 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. Также появилась новая версия спецификации языка описания (Control and Communication System Profile 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 все еще считают сеть проприетарной, CC-Link — это открытый протокол, который используют множество производителей оборудования для придания сетевых функций ПК, ПЛК, роботам, сервомоторам, приводам, цифровым и аналоговым модулям ввода-вывода и различным контроллерам. Протокол обеспечивает скорость до 10 Мбит/с на расстоянии 100 м и хорошую скорость при 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 связывает устройства полевого уровня с контроллерами; она также соединяет контроллеры с другими контроллерами и обеспечивает абсолютную детерминированную связь без использования коммутаторов или подробных знаний о сети Ethernet. CC-Link IE Field одобрен IEC для обеспечения безопасности связи; он также поддерживает интегрированное управление движением и энергопотреблением. Фактически, это редкая промышленная реализация 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 заданного времени) для изначально детерминированного управления.
EtherCAT — это сокращение от Ethernet для технологии автоматизации управления. В нем используются кабели Ethernet и витая пара или коаксиальный кабель с адаптерами BNC на расстоянии до 1000 м и оптоволоконный кабель за его пределами. Скорость передачи данных соответствует скорости Ethernet, а EtherCAT может контролировать до 65 535 узлов. Разработанный компанией Beckhoff, он обеспечивает быструю и детерминированную обработку данных с использованием специального программного и аппаратного обеспечения. Он подходит для любой топологии и использует полнодуплексную конфигурацию master-slave. Он обрабатывает 1000 точек ввода-вывода за 30 мксек и взаимодействует со 100 сервоосями за 100 мксек. Оси получают заданные значения и управляющие данные и сообщают о фактическом положении и статусе. Технология распределенных тактовых импульсов, представляющая собой простую версию стандарта IEEE 1588, синхронизирует оси с дрожанием менее 1 мксек.
Протокол EtherCAT обеспечивает высокую пропускную способность, поскольку аппаратное обеспечение обрабатывает сообщения перед пересылкой следующему подчиненному устройству. Каждое подчиненное устройство считывает данные, относящиеся только к нему, при передаче 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 протокол промышленного 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 стандартный TCP/IP (IEEE 802.3) и связь по существующей сетевой инфраструктуре. Аппаратные соединения Ethernet соединяются с портами TCP и UDP. Основным преимуществом Ethernet/IP (фактически общим для всех протоколов, которые мы здесь описываем) является безошибочный прогресс физического Ethernet со 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 (совместимая с IEEE-1588 тактовая синхронизация, отображаемая в объектных моделях CIP) позволяет синхронизировать многоосевое управление движением.
Сравните это с синхронизацией на основе событий, которая использует жестко запланированную доставку критически важных по времени данных по сети. Такая синхронизация требует дрожания менее 1 мксек для циклических данных, чтобы получить точное позиционирование и контроль скорости, 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 неизменными, а ответственность за детерминизм возлагается на сетевые устройства. Они используют предварительные временные данные, строго синхронизированные часы устройства и информацию о сообщениях с отметками времени для обработки запросов в реальном времени, поэтому EtherNet /IP с CIP Motion обеспечивает синхронизацию часов более чем на 200 нсек, что позволяет удовлетворить даже требовательные приложения для управления движением.
SERCOS (сокращение от Serial Realtime Communications System) — это открытый протокол для высокоскоростной последовательной передачи стандартных замкнутых данных в реальном времени по помехоустойчивым волоконно-оптическим кольцам (в случае SERCOS I и II) или промышленному кабелю Ethernet в случае SERCOS III. Это цифровая шина для подключения к сети контроллеров движения, приводов, устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных механизмов для машин и систем с числовым программным управлением. Интерфейсы SERCOS замыкают сервоконтуры в приводе, чтобы снизить вычислительную нагрузку на контроллер движения (и синхронизировать больше осей движения, чем это возможно в противном случае). Замыкание сервоконтуров таким образом также сводит к минимуму эффект задержек при транспортировке между органами управления движением и приводами.
SERCOS III — это версия по стандарту IEC. Он сочетает в себе преимущества Ethernet и предыдущих разработок SERCOS для детерминированного двунаправленного перемещения и управления в реальном времени. Это также обеспечивает расширенную связь ввода—вывода и эффективную передачу всех обычных протоколов по одной и той же сети Ethernet — параллельно — с помощью SERCOS realtime communication. Время цикла SERCOS III сокращено до 31,25 мксек. Он поддерживает 511 подчиненных устройств в каждой сети, при этом при установке возможно несколько сетей.
PROFIBUS (от зонтичной организации PROFIBUS & PROFINET Intl. или PI) — это сокращение от Process Field Bus. Это наиболее распространенная классическая последовательная полевая шина, которая используется почти в 20% всех промышленных установок, подключенных к сети. В конструкции используется связь slave-slave, master-slave и master-master-ведущий по витой паре или оптоволоконному кабелю. Сравните это с PROFINET от той же организации, которая использует промышленный Ethernet для получения большей пропускной способности и скорости. Как и PROFIBUS, он использует файлы GSD для определения аппаратного обеспечения подключенных устройств (хотя файлы PROFIBUS GSD имеют формат ASCII, в то время как файлы PROFINET GSD имеют формат XML.) Пользователям PROFIBUS полезно ознакомиться с дизайном при переходе на PROFINET.
Как и в случае с другими протоколами, основа PROFINET в Ethernet использует больший размер сообщений, лучшую пропускную способность и неограниченное адресное пространство (хотя в последнем случае контроллеры накладывают ограничения на процессор и память). Другая причина высокой скорости PROFINET заключается в настройках «поставщик-потребитель», которые (в отличие от более привычных настроек «ведущий-подчиненный») не определяют устройство, управляющее сетью. Эти устройства позволяют узлам сети взаимодействовать по мере необходимости. Поскольку PROFINET использует коммутируемые сети Ethernet, которые не обнаруживают коллизий, он обеспечивает детерминированную связь на всех скоростях, используя функции как реального времени, так и изохронного реального времени (IRT). Функциональность в режиме реального времени позволяет сократить время обновления до 250 мксек, в то время как PROFINET IRT обеспечивает синхронизацию всех сетевых компонентов до 31,25 мксек.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии