Profinet и ethernet отличия

Обновлено: 06.07.2024

Протоколы и интерфейсы

Только начинаю свой долгий путь в увлекательное путешествие АСУ. Мучает вопрос в чем же отличия между протоколом и интерфейсом? Допустим интерфейс RS-485 и протокол Profibus. Объясните пожайлуста на простом языке. Не думайте что не читал, ищу инфу уже неделю. Но хочется узнать как это понимает специалист! Спасибо огромное!

Представьте, что вы пишете письмо любимой бабушке.

Способ доставки (конверт почты России, е-мейл, телеграмма, голубь) это интерфейс .

А язык , на котором написано письмо (русский, идиш, Simplified Chinese) это протокол .

Любой протокол можно применить почти к любому интерфейсу, только стандарты протоколов часто ограничивают виды интерфейсов. Наверное возникнет вопрос: зачем стандарты ограничивают интерфейсы? Ответ: чем меньше всяких разных интерфейсов, тем проще соединить между собой два устройства от разных производителей. Одним словом - ограничение ради унификации.
Некоторые протоколы могут быть привязаны к определенным скоростям передачи данных. Соответственно, если нестандартный интерфейс работает на других скоростях передачи данных, то могут быть проблемы. В общем: если сказали RS485, то нафиг физику RS232. Михайло писал(а): Любой протокол можно применить почти к любому интерфейсу Я бы сказал "некоторые протоколы к некоторым интерфейсам". Например CAN-протокол по RS485 вряд ли заработает, ему нужен САN-интерфейс. Не каждое устройство с RS232 будет работать по RS485, может не хватить управляющих сигналов, зато у умельцев 1Wire устройства общаются с ПК по RS232. И profibusов, если мне не изменяет память, три разных, несовместимых. Верхнего уровня работает только по Ehernet, среднего - по RS485 и нижнего - по какому то двухпроводному искробезопасному. Но тут мог напутать, знакомился с ним много лет назад. Если в ящик "почты России" бросить письмо с адресом на "китайском", то оно не дойдет. Можно извернуться, адрес написать на русском, а само письмо - на китайском. Бабушка письмо получит, но прочесть не сможет, если китайского не знает. Timon писал(а): 2. И еще вопрос, на примере подключения ПЛК к HMI что из себя представляет физически и на софте интерфейс и протокол(как их можно увидеть, потрогать)? Интерфейс - это устройство в ПЛК, устройство в ПК и кабель между ними. Иногда, если интерфейсы не совпадают, между ПК и ПЛК вставляют преобразователь интерфейсов.
Протокол - софт (драйвер) как ПЛК, так и ПК. В ПЛК - сетевая прослойка между программой управления и сторонними устройствами (другими ПЛК, HMI). В ПК - просто драйвер-конвертер из пришедших пакетов во что-нибудь удобоваримое для HMI. "Умные люди обсуждают идеи, средние - события, а глупые - людей" Л.Н. Толстой

Протоколы и интерфейсы

Есть еще несколько вопросов:
1) Profinet это протокол для интерфейса Ethernet? Или он может быть на Rs 485 тоже?
2) Для Profinet может использоваться любой ethernet коммутатор?
3) Для чего накладывают протоколы друг на друга, например Modbus на Tcp/ip?
4) В чем преимущество протокола Profibus над Modbus Rtu? Profinet над Tcp/ip?

Протоколы и интерфейсы

1- Да, только на интерфейсе Ethernet.
2- Нет. Из жадности Siemens принял меры к несовместимости.
3- для решения проблем со стыковкой систем передачи данных в неответственных применениях. Но не надо путать Modbus-over-TCP с Modbus-TCP
4a- В скорости обмена и в накладных расходах.
4б- Profinet отвечает требованиям гарантированного времени доставки, а TCP/IP нет. Но есть ещё и Eternet/IP. ---------------------------------------------------
«У человека в душе дыра размером с Бога, и каждый заполняет её как может». Жан-Поль Сартр

Протоколы и интерфейсы

1. На RS485 был Профибас. Профинет - это по сути Profibus-over-Ethernet. Но! Это не просто портация, инновационные фирмы не стоят на месте, там появилась куча новых фишек. Такую портацию произвел не только Профибас, есть целый список промышленных протоколов у конкурентов Сименса.

2. Profinet IO поддерживает TCP/UDP-соединения, Profinet-устройства имеют IP-адреса, а значит совместим с маршрутизаторами третьего уровня (роутерами). Пакеты Profinet IO будут проходить через обычную офисную сеть.
Но есть такие штучки как Profinet RT, Profinet iRT (рантаймовый Профинет). Если активируется подобный функционал, то тогда надо ставить специальные Profinet-коммутаторы (может даже достаточно неуправляемых свитчей, но тогда наверное может нарушаться реалтаймовость). Фишка в том, что TCP/IP протокол очень гибкий, но чрезвычайно тормознутый и построение на его основе рантаймовых протоколов невозможно. Нужно "спускаться" на второй уровень модели OSI (канальный уровень) и адресоваться по MAC-адресу. Рантаймовые протоколы, как я понял, строятся на основе MAC-протокола. Здесь могут быть обеспечены минимальные задержки, мгновенный отклик, но пакеты уже не смогут пройти через коммутатор третьего уровня (который оперирует с IP-адресами). Но по-прежнему имеется совместимость с Fast Ethernet (100BASE-X).

3. Преимущества TCP/IP разве не ясны? Возможность передавать данные по звездообразной топологии и даже использовать Интернет для передачи данных.
Я бы порекомендовал Вам оценить свои перспективы на будущее. Если Вы собираетесь создавать сложные системы, то выбирайте контроллер с портом Ethernet на борту. Но, если Вы будете создавать сверхдешёвые простые проекты, то тогда выбирайте ПЛК без интерфейсов или с RS485. Возможно Вам будут нужны и те, и другие.
Ну раз Вы хотите всё сравнить друг с другом, то вот сравнение RS485 и Ethernet: основное отличие состоит в том, что у Ethernet имеется сегментация сети и возможна звёздная топология. Сегментация - это значит, что устройства в одной сети могут общаться параллельно, если они находятся в разных сегментах. В шинной топологии RS485 все устройства "слышат" друг друга и каждое устройство влияет на общий траффик сети.
Недостатком Эзернета является ограничение длины кабелей в 100 м, ну и он как бы подороже, посложнее. Поэтому Ethernet на полевом уровне (уровень датчиков) практически не применяется.

4а. Modbus RTU - это простейший протокол, только для циклического обмена. Profibus имеет возможность ациклического обмена данными - это когда ты программатором загружаешь проект в контроллер, мониторишь состояние ПЛК в Step7 и т.д. Это наверное основное отличие. Modbus не позволит передавать параллельно какие-то служебные данные по этому же каналу , это крайне неудобно в сложных сетях. Ну есть много ещё разных фишек, я что-то затрудняюсь вспомнить что-нибудь ещё.
Даже Сименс понимает, что у Modbus RTU есть своя ниша, только потому что он простой и лёгкий. У него есть поддержка этого протокола.

4б. Насколько я понимаю, Profinet IO - это не только стандарт протокола, но и стандарт "физики". Здесь повышенные требования к кабелям (увеличено сечение жил), разъёмам (электромагнитная совместимость, пылезащита, термостойкость и т.п.). В общем это всё уже было в Industrial Ethernet, но Профинет, кажется, ещё жёстче.
Profinet IO умеет использовать TCP/IP для передачи нереалтаймовых данных, помимо этого он надстраивается над MAC-уровнем. То есть это такая гибкая надстройка над разными протоколами. Надо понимать, что MAC-протокол и TCP/IP-протокол являются лишь основой для построения каких-то конкретных протоколов в том числе пользовательских (доморощенных), они являются просто протоколами-носителями, они не самодостаточны.
Какие есть фишки у Профинета по сравнению с любой доморощенной надстройкой над TCP/IP? Например, есть такая фишка как Media Ring. Чтобы использовать эту функцию, надо взять Profinet-девайс с двумя портами, например, контроллер CPU1215C или модуль управления преобразователя частоты CUxxx-2PN. Построить топологию сети кольцом, т.е. с одного порта кабель ушел и в другой порт вернулся. Получается как бы закольцованная шинная топология. В Ethernet такие кольца запрещены. Но не зря же ставится именно Profinet-девайс! В нём нужно активировать функцию Media Ring. В этом случае второй порт не используется. Но в случае обрыва кабеля, отсутствия коннекта на первом порту (обрыв кольца), устройство пытается выйти на связь через второй порт, где кабель скорее всего остался цел.
Понимаете в чём дело.

Ethernet был разработан в 1970-х годах. и позже стандартизирован как IEEE 802.3. Он представляет собой набор элементов локальной сети (LAN), описанных в стандартах IEEE 802.3 — группе стандартов IEEE, в которых определяются физический и канальный уровни взаимодействия в проводной сети Ethernet [1]. Эти стандарты также описывают правила конфигурирования сети Ethernet и взаимодействие элементов сети друг с другом [2].

Ethernet позволяет соединять компьютеры внутри одной сети — без него связь между устройствами в современном мире была бы невозможна. Ethernet стал общепризнанным стандартом проводных и кабельных систем, объединяющих несколько компьютеров, устройств, машин в рамках одной сети организации, чтобы все компьютеры могли обмениваться данными друг с другом. Изначально при реализации Ethernet использовался один кабель, позволяющий подключать несколько устройств к одной сети, но сегодня сети Ethernet можно расширять, добавляя новые устройства по мере необходимости. В настоящее время Ethernet является самой популярной и широко используемой сетевой технологией в мире [3].

Принцип работы Ethernet

При использовании Ethernet поток данных разделяется на короткие части, или фреймы, каждый из которых содержит дополнительную информацию об источнике и приемнике данных. Такая структура необходима для того, чтобы сеть корректно принимала и отправляла данные.

Среди важных понятий, связанных с технологией Ethernet:

среда передачи данных, которая в рамках современного Ethernet представляет собой витую пару или оптоволоконный кабель, к которому подключаются Ethernet-устройства для создания маршрута передачи данных;
сегмент — общая среда передачи данных;
узлы — устройства, которые подключаются к сегментам.

Стандартные сети Ethernet могут передавать данные со скоростью 10–100 Мбит/с. Существует и гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet) — этот термин используется в стандарте IEEE 802.3 для описания сетей, способных передавать данные со скоростью 1 Гбит/с. Изначально такой Ethernet использовался для передачи данных по магистральным сетям и для высоконагруженных серверов, однако со временем его начали применять для подключения обычных персональных компьютеров.

Промышленный Ethernet

Промышленный Ethernet, как следует из названия, применяется для подключения промышленного оборудования: когда требуются более надежные разъемы, кабели и, что самое важное, высокий уровень детерминизма. Для достижения высокого уровня детерминизма в промышленном Ethernet, помимо стандартного протокола Ethernet, используются специализированные протоколы. Наиболее популярными из них являются PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS III и POWERLINK.

Скорость промышленного Ethernet может варьироваться в пределах 10 Мбит/с — 1 Гбит/с [5]. Чаще всего используется промышленный Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

Принцип работы промышленного Ethernet

Протоколы промышленного Ethernet, такие как PROFINET и EtherCAT, вносят изменения в стандартный протокол Ethernet, чтобы не только обеспечить надежность отправки и приема данных технологических процессов, но и гарантировать, что эти данные будут отправлены и приняты именно в тот момент, когда они будут необходимы для выполнения определенных операций. Например, на заводе по розливу напитков в бутылки, где применяются технологии автоматизации на основе промышленного Ethernet, данные процесса розлива отправляются по сети, чтобы бутылки наполнялись правильно (рис. 1). Как пишет издание Real Time Automation [6], когда бутылка заполняется жидкостью, по сети отправляется команда остановки наполнения.

Рис. 1. Правильность наполнения бутылок гарантирована детерминированными по времени отправкой и получением данных технологического процесса

Другие различия между Ethernet и промышленным Ethernet

По словам Real Time Automation, стандартный Ethernet больше подходит для офисных применений, нежели для использования в промышленности. Он предназначен для повседневного использования, в то время как промышленный Ethernet предусматривает различные уровни и может применяться в более сложных условиях эксплуатации (рис. 2) — в том числе в зашумленных производственных помещениях. При этом он даже способен определить потерю данных на производстве.

Рис. 2. Факторы, которые необходимо учесть при выборе Ethernet для промышленного предприятия

Кабели и разъемы, применяемые в сетях промышленного Ethernet, также имеют определенные отличия от стандартных. Например, разъемы, используемые в промышленности, как пишет Real Time Automation, не будут иметь стандартных защелок. Поскольку такие разъемы применяются в агрессивных промышленных средах, им необходимы более надежные механизмы фиксации. В оборудовании, используемом в тяжелых условиях эксплуатации, как правило, применяют герметичные разъемы.

Структура кабелей коммерческого или офисного Ethernet также может отличаться от структуры кабелей промышленного Ethernet. Оболочка низкоскоростных промышленных кабелей может быть более высокого качества. Конечно, и оболочка кабелей с высокой пропускной способностью, и используемый в них металл имеют еще более высокое качество, что значительно повышает надежность этих кабелей.

Детерминизм (гарантированная фиксированная задержка) является еще одним важным фактором, отличающим промышленный Ethernet от стандартного. Ethernet сам по себе не является детерминированным [7], но для применения сетей в промышленных средах детерминизм необходим. На промышленном предприятии пакеты данных должны отправляться и приниматься в определенное время и при этом нужна гарантия того, что пакеты будут доставлены несмотря ни на что. Это связано с тем, что потеря данных или задержка в передаче данных между оборудованием в промышленных условиях может привести к серьезному сбою в технологическом процессе. Такая передача информации в режиме реального времени часто является основным решающим фактором при выборе Ethernet-решения. При этом компания должна оценить свои потребности и определить, какое Ethernet-решение лучше подойдет для удовлетворения требований.

Преимущества сетей на основе Ethernet – гибкость построения, возможность использования протокола TCP/IP, огромный выбор оборудования для разнообразных применений. Но у Ethernet существуют и недостатки, главный из которых – невозможность построения систем, в которых время передачи управляющих сигналов составляет порядка 1 мс. Именно такая скорость зачастую требуется при построении систем промышленной автоматизации. Компанией Siemens была создана система PROFINET, сочетающая гибкость Ethernet и возможность работы в реальном времени.

При разработке открытого стандарта единой шины для промышленной автоматизации в 80-х годах был создан консорциум из ведущих производителей средств автоматизации. Этот консорциум получил название PROFIBUS, и первым результатом его работы стало создание одноименной шины. Важным преимуществом PROFIBUS является возможность изохронной работы в реальном масштабе времени. На момент разработки PROFIBUS была крайне актуальной, и даже сейчас, по прошествии четверти века, она широко используется, и для нее выпускается новое оборудование. Но жизнь не стоит на месте: сети Ethernet и протокол TCP/IP с тех времен из предмета увлечения узкого круга продвинутых специалистов по компьютерных технологиям превратились в стандарт де-факто для построения компьютерных сетей.

Стандарт Ethernet создавался для обмена информацией, а не для управления в реальном масштабе времени. В таких сетях возможна значительная задержка по времени при прохождении пакетов. Эта серьезная проблема в ряде случаев решаема. Например, для пакетов, передающих мультимедиа, может быть установлен особый приоритет, при котором они будут идти приблизительно с одной задержкой, что обеспечивает гладкое воспроизведение видео.

Развивая этот принцип, можно предоставить для пакетов, относящихся к реальному времени и изохронным процессам, особые «выделенные полосы» в трафике Ethernet. Тогда изменение нагрузки на сеть не будет приводить к «заторам» критически важных пакетов, и открывается возможность устанавливать жесткие нормативы на время задержки пакетов.

Именно на таком принципе основана система PROFINET, созданная консорциумом PROFIBUS. Первоначально система создавалась для нужд немецкой автомобильной промышлености, а именно, группы AIDA (так называется пятерка крупнейших автопроизводителей: Audi, BMW, Daimler, Porsche и Volkswagen). В основе Profinet лежат те же принципы, что и в основе Ethernet. Это полнодуплексная шина, обеспечивающая передачу данных со скоростью 100 Мбит/с. При необходимости передача информации может осуществляться по оптоволокну или беспроводным способом. Распределение нагрузки сети всегда можно изменить через ее топологию. Мало того, сеть PROFINET полностью совместима с Ethernet. Телеграммы PROFINET могут передаваться через существующую инфраструктуру для Ethernet, в том числе и через Ethernet-коммутаторы. Правда, на параметры Ethernet-коммутаторов накладываются некоторые ограничения, указанные в официальном описании системы. Тем не менее, большинство современных Ethernet-коммутаторов, используемых в системах промышленной автоматизации, удовлетворяют этим требованиям.

PROFINET, в свою очередь, подразделяется на PROFINET IO, предназначенный для реального времени, а также изохронного реального времени, и PROFINET CBA, ориентированный на протокол TCP/IP.

Система PROFINET была разработана в начале 2000-х годов, с 2005 г. она используется на практике. Оборудование для PROFINET производят многие компании, но особенно следует отметить продукцию Siemens, обладающую рядом преимуществ, о которых пойдет речь позже. А сначала ознакомимся с основными принципами работы системы.

Как работает PROFINET

Цикл передачи PROFINET идентичен циклу передачи Ethernet (рисунок 1). 25-й и 26-й байты являются идентификаторами типа передаваемых данных — PROFINET. Далее следует блок информации, специфичной для PROFINET, а завершается телеграмма стандартным для Ethernet проверочным блоком FCS. Таким образом, с точки зрения коммутатора Ethernet, телеграмма PROFINET — это просто некие специфические данные, передаваемые через компьютерную сеть. И они могут обрабатываться точно так же, как и любые другие.

Рис. 1. Структура Ethernet- и PROFINET-телеграмм

При этом приблизительно 50% трафика в PROFINET зарезервировано под обычную передачу данных (размер этой доли может регулироваться путем установки соответствующих настроек), для которой не важна точная привязка по времени (рисунок 2). Обычно это передача данных по протоколу TCP/IP. Остальной трафик используется для передачи информации в реальном времени (Real-Time — RT) с задержкой порядка единиц-десятков миллисекунд, а также в изохронном реальном времени (Isochronous Real-Time — IRT), когда задержка составляет менее 1 мс.

Рис. 2. Резервирование пропускной способности

Для IRT-коммуникаций (и только для них!) выделяется отдельное окно времени. Стандартный фрейм не может прервать IRT-цикл. Следует отметить, что при использовании коммутаторов в случае IRT применяется специальное оборудование SCALANCE X-IRT.

В изохронном режиме цикл управления синхронизирован с циклом системной шины. При этом чтение входов и запись выходов осуществляются в фиксированные моменты времени.

Передача IRT осуществляется для подсистем ввода-вывода, иначе именуемых IO-подсистемами. В PROFINET различают следующие типы IO-оборудования:

IO-контроллер. Осуществляет обмен информацией с полевыми устройствами, а также доступ к IO-сигналам через область процесса.
IO-устройство. Полевое устройство, назначенное определенному IO-контроллеру.
IO-супервизор. Осуществляет диагностику, а также интерфейс «человек-машина» (HMI). В большинстве случаев представляет собой некую консоль, с которой можно проконтролировать работу оборудования и сделать необходимые настройки.

Помимо обычных, в PROFINET могут существовать IO-устройства с функцией быстрого включения/выключения. В этом режиме обеспечивается малое время включения, которое составляет, в зависимости от модификации, 500 или 700 мс. На момент написания статьи Siemens выпускал две серии таких устройств: ET 200eco PN (время включения до 500 мс) и ET200S (время включения до 700 мс). В качестве примера можно привести вариант ET 200eco PN с номером продукта (MLFB) 6ES7141-6BG00-0AB0, позволяющий управлять устройствами в количестве до восьми. Следует иметь в виду, что функция быстрого включения/выключения активируется специальными управляющими сигналами. Когда она не активирована, поддерживающее ее IO-устройство ничем не отличается от обычного.

Выбор сетевой структуры

Наличие средств, обеспечивающих резервирование трафика для RT и IRT, не отменяет, тем не менее, определенных правил построения сети для сокращения времени передачи данных. Если их не соблюдать, то даже в PROFINET будут возникать заторы.

Для PROFINET рекомендуется использовать топологию сети типа «дерево» или «звезда». Элементы системы, генерирующие обычный трафик в больших объемах, должны подключаться к одному коммутатору с IO-контроллером. IO-подсистемы должны обмениваться данными через коммутатор верхнего уровня, что позволяет избежать циклического обмена трафиком.

И, конечно же, сеть должна быть защищена от интенсивного широковещательного и группового трафика.

Настройка системы с использованием пакета Simatic Step 7

Для разработки систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров компания Siemens создала программную среду Simatic Step 7. Совместимость Step 7 с конкретным аппаратным обеспечением и версией операционной системы компьютера можно уточнить у специалиста. Заказной номер актуальной версии Simatic Step 7 в номенклатуре Siemens: 6FC5252-0AY00-0AG0. Производитель рекомендует использовать ее на аппаратном обеспечении SINUMERIK (так называется серия оборудования для станков с ЧПУ, в состав которой, в частности, входят рабочие станции).

Следует отметить, что наличие столь мощного программного пакета с интуитивно понятным интерфейсом является весомым аргументом в пользу выбора именно продукции Siemens для PROFINET. С промышленными контроллерами других производителей данный пакет работать не будет.

На протяжении многих лет пакет Step 7 использовался для программирования PROFIBUS-систем на основе промышленных контроллеров Siemens. Подготовлено огромное количество специалистов, в совершенстве владеющих этим пакетом. И хорошей новостью является то, что эти инвестиции в человеческий капитал при переходе на PROFINET не пропадут. Конфигурация для устройств PROFINET IO в этом пакете представлена точно так же, как и для PROFIBUS DP.

Каждому PROFINET-устройству в проекте разработчиком назначается свое имя. После включения IO-контроллера он автоматически назначит устройству IP-адрес, используя протокол DCP. Для активации режима быстрого запуска достаточно поставить галочку в меню параметров соответствующего устройства.

Одним из возможных вариантов идентификации PROFINET I/O-устройств в сети является использование топологии сети. Она создается в редакторе топологий, встроенном в Step 7. Кроме этого, есть возможность определения уже существующей топологии на основе протокола LLDP (Link Layer Discovery Protocol — протокол обнаружения канального уровня). Полевые устройства PROFINET обмениваются информацией об адресах с подключенными соседними устройствами по каждому порту коммутатора. Образно говоря, можно сказать, что устройства PROFINET знают своих соседей. Это позволяет однозначно идентифицировать устройства и определять их физическое местоположение.

Для каждого отдельного IO-устройства возможна индивидуальная настройка времени цикла в зависимости от его параметров и стоящих задач. Настоятельно рекомендуется осуществить такую настройку, так как она позволяет значительно повысить пропускную способность сети. Регулировка времени цикла осуществляется в Step 7 очень просто — нужно выбрать в списке IO-устройств необходимый элемент, выбрать меню Edit Update Time/Mode и задать время.

Для сетей Ethernet MAC-адрес устройства является основным идентификатором, и PROFINET устроена по тому же принципу. Мы привыкли, что MAC-адрес привязан к конкретному экземпляру «железа». Это означает, что при замене отдельного элемента системы в случае его выхода из строя придется заново все настраивать. А это, в свою очередь, ведет к остановке производственного процесса на длительное время и, как следствие, к упущенной выгоде. Следует отметить, что эта проблема не характерна для PROFINET. В данной системе идентификация устройств осуществляется на основе имен, загруженных в их память. Соответствие между MAC-адресами и именами устанавливается автоматически, пользователю нет необходимости со всем этим разбираться.

В оборудовании производства Siemens имя контроллера и его настройки записаны на сменном модуле памяти. Это может быть как карта памяти распространенного стандарта MMC (FC/SINAMICS G120, номер продукта 6SL3254-0AM00-0AA0), так и фирменный модуль C-Plug (номер продукта 6GK1900-0AB00).

Устройства общего доступа

Под устройством общего доступа (shared device) в PROFINET понимается IO-устройство, которому назначены два (или более) контроллера (рисунок 3). Разновидностью такого устройства является модуль общего доступа (shared input), с которого подключаемые контроллеры могут осуществлять чтение информации, но право осуществлять запись представлено только одному контроллеру. Примером shared device может являться ET200M IM 153-2 (номер продукта 6AG1153-2BA02-2XY0), а share input — ET200MP (номер продукта 6AG1155-5AA00-7AB0) при установке соответствующего режима работы.

Рис. 3. Пример подключения устройства общего доступа

Применение устройств общего доступа обеспечивает большую гибкость настройки системы для решения тех или задач.

Подключение «интеллектуальных» устройств

В качестве IO-устройства к оборудованию Siemens может быть подключен центральный контроллер, компьютер или иной прибор на основе микропроцессора. В частности, таким устройством может быть и IO-контроллер.

Для чего это нужно? Во-первых, подключение компьютера в качестве IO-устройства значительно упрощает настройку системы, так как для взаимодействия с ним используется стандартный интерфейс Profinet. Во-вторых, открываются возможности по интеграции в систему контроллеров производства других компаний.

Протокол MRP

Для повышения надежности в ряде случаев в системах промышленной автоматизации используется кольцевая топология сети. Восстановление после сбоя осуществляется при помощи протокола MRP (Media Redundancy Protocol), поддерживающего сети с количеством коммутаторов до 50.

В зависимости от установленных параметров и загрузки сети время восстановления в MRP для оборудования PROFINET от Siemens составляет от 10 до 200 мс.

По протоколу MRP целостность кольца контролируется путем передачи тестовых кадров данных в одну сторону и получения их по цепочке с другой стороны. Все данные, кроме тестовых кадров, блокируются на одном из двух кольцевых портов ведущего коммутатора (так называемого MRM-коммутатора), образуя фактически линейную топологию сети. Это позволяет предотвратить коллизии. При отсутствии тестовых кадров с другой стороны диагностируется разрыв кольца, тогда происходит разблокировка второго соединения, что восстанавливает передачу данных.

В пакете Step 7 для настройки параметров MRP вводится следующая информация: имя домена, роль (клиент/сервер), какие два порта являются кольцевыми.

PROFIenergy

В своем развитии система PROFINET, конечно же, не могла обойти современные тенденции, ориентированные на максимальное энергосбережение. Так в 2010 году появился профиль PROFIenergy. Этот профиль используется для устройств, которые нельзя полностью выключить на то время, когда они не используются. Устройства, поддерживающие PROFIenergy, после получения команды от системы (центрального контроллера или контроллера-супервайзера) переходят через определенный промежуток времени в спящий режим. Также система включает устройство за заданный промежуток времени до начала использования, чтобы оно «прогрелось» и прошли переходные процессы.

По каждому устройству в прошивке прописывается минимально допустимое время паузы и время включения (Time to Operate), т. е. время, требуемое на прогрев устройства. Эти данные, наряду с текущим состоянием и перечнем доступных функций энергосбережения, запрашиваются системой у IO-контроллера.

За время, равное значению Time to Operate, система передает на контроллер сигнал о завершении паузы (рисунок 4). После окончания времени, отведенного на запуск, IO-контроллер отвечает, что устройство готово к выполнению задания. И только после этого на устройство будут подаваться управляющие сигналы о выполнении каких-либо действий. Такая многоступенчатая система обеспечивает высокий уровень безопасности и защиту от поломки оборудования.

Рис. 4. Запуск оборудования после паузы

PROFINET CBA

Для коммуникаций типа «машина-машина» и общесистемных коммуникаций через Ethernet может использоваться стандарт PROFINET CBA. В его основе лежит представление набора модулей как сборки с входами и выходами, обеспечивающими взаимодействие с другими модулями. Как правило, производственный процесс делится на отдельные логически завершенные участки, для каждого из которых делается сборка. Например, если автоматизируется процесс производства средств бытовой химии, то в качестве отдельной сборки может выступать комплекс устройств для розлива средства по флаконам. Для проектирования производственного процесса на основе сборок с применением модулей производства Siemens предусмотрена специальная программа SIMATIC iMap (рисунок 5).

Рис. 5. Программа SIMATIC iMap

Эта программа, в частности, способна осуществлять гибкую реконфигурацию обмена данными. То есть назначение входов и выходов сборок, а также их топологию соединения можно менять для достижения оптимальных результатов. Созданная карта межкомпонентных соединений загружается в систему. При этом коммуникация устройств настраивается автоматически. Благодаря этому появляется возможность практически мгновенно перестраивать заводской конвейер на выпуск другой продукции. Использование PROFINET позволяет быстро приспосабливаться к изменению ситуации на рынке.

При выборе Ethernet-технологии, наилучшим образом подходящей для вашей промышленной системы, вам сначала нужно собрать некоторую базовую информацию, а именно:

Сколько будет точек ввода-вывода?
Какова должна быть скорость передачи данных?
Какой диапазон контроля (количество устройств, контролирующих операции ввода/вывода)?
Какой опыт или знания имеют люди, которые в последующем будут эксплуатировать данное электрооборудование?

Сети должны знать, какие данные передаются и как часто. Это укажет пропускную способность и надежность нужной сети. Кроме того, он может изменить тип Ethernet, который будет использоваться. Например, Ethernet / IP и PROFINET RT предназначены только для систем мягкого реального времени.

Если говорить просто, то протоколы связи гарантируют, что информация будет передана к месту назначения. Пакеты данных могут быть разрушены в случае «столкновения» с другим сигналом, который пытается использовать этот же путь для передачи данных. Имея информацию, которая не «сталкивается» с другими данными, обеспечивая при этом передачу первоочередной информации не прерывая передачу второстепенных данных, является огромной проблемой для большинства протоколов связи.

Существует три подхода к работе реального времени в полевых шинах:

Стандартное программное обеспечение / стандартный Ethernet (S/S): на основе протокола управления передачей / Интернет-протокола (TCP / IP), который является основным языком или протоколом связи, используемым для уровней интернета и интрасети. Механизмы реального времени встроены в верхний уровень. Обратите внимание, что этот подход может иметь ограничения в производительности.
Открытое программное обеспечение / стандартный Ethernet (O / S): можно следовать стандартам, но есть устройства, которые могут иметь свои особенности и не будут совместимы с другими. Стандарт в этой отрасли означает то же, что и в механических системах – разные запчасти не могут подойти к одному механизму. Open Software / Standard Ethernet (O / S) позволяет производителям соблюдать стандарты любыми удобными им способами, но главным условием является реализация совместимости с другими устройствами.
Открытое программное обеспечение / модифицированный Ethernet (O / M): используя новый протокол и некоторое аппаратное обеспечение, этот подход позволяет использовать преимущества существующего Ethernet и гарантирует выполнение жесткого реального времени. Кроме того, программное обеспечение часто является с открытым исходным кодом.

Промышленные интернет вещей (IIoT) и все более автоматизированные производственные линии лишь увеличивают важность коммуникационных и сетевых протоколов.

В этой статье будут рассмотрены некоторые различия в промышленном Ethernet. На рынке существует около 30 типов таких систем, поэтому мы сосредоточимся на основных пяти, которые наиболее часто рекламируются по техническим аспектам, стоимости, стандартизации и стратегическим рыночным соображениям: PROFINET, Ethernet / IP, POWERLINK, EtherCAT и Sercos III.

Ниже приводится краткое описание этих пяти промышленных Ethernet вариантов, и какой подход, компания и функции связаны с каждым из них.

Ethernet/IP

Разработанный Rockwell Automation и Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), Ethernet / IP использует синхронный протокол Common Industrial Protocol (CIP). Он придерживается как стандарта синхронизации времени IEEE 1588, так и стандарта Ethernet-TCP / IP.

Чтобы показать, насколько запутанными могут быть протоколы связи, рассмотрим несколько вариантов реализации CIP. Когда CIP используется по сети контроллеров или CAN, он называется DeviceNet. Когда он реализован в выделенной сети, он называется ControlNet. Если он используется через Ethernet, он называется Ethernet / IP. Кроме того, Ethernet / IP может использовать TCP / IP и User Data Protocol/Internet Protocol (UDP/IP). Используя протокол CIP, Ethernet / IP также может использовать различные механизмы связи: циклический опрос, время, многоадресную рассылку, связь точка-точка и многое другое.

UDP / IP отклоняет проверку ошибок, что замедляет время цикла. Например, это не слишком большая проблема, если диагностика и данные конфигурации пропускают несколько пакетов данных. Однако если вы хотите гарантировать доставку приоритетных данных, вам не следует использовать UDP / IP в системах жесткого реального времени.

POWERLINK

Разработанный B & R Automation, но в настоящее время управляемый стандартной группой Ethernet POWERLINK, использует циклический метод синхронизации времени протокола и подход Open Software / Standard Ethernet.

По сути, POWERLINK использует мастер для управления временем сети, которое устанавливает, когда данные отправляются с каждого узла. Этот метод синхронизации времени IEEE 1588 позволяет сохранять высокоточное время в сети. Мастер накладывает временной интервал для отправки данных по механизму множественного доступа с контролем несущей / обнаружения конфликтов (CSMA / CD). CSMA / CD состоит из правил, которые определяют, как долго устройство должно ждать, если есть столкновение. Контроллер опрашивает накопители с выделенным периодом цикла.

EtherCAT

Разработанный Beckhoff Automation, EtherCAT использует метод суммирования и метод Open Software / Modified Ethernet.

При использовании метода суммирования кадра все узлы отправляют одну телеграмму, которая перемещается от узла к узлу вдоль кольца, собирая ответ узлов по пути. Этот метод отличается тем, что телеграмма, которую также можно назвать фреймом, сегментируется и проходит через все узлы. Каждый узел читает данные, адресованные ему, и вставляет ответ на телеграмму (аппаратно). На подчиненном конце процесса используются специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая вентильная матрица (FPGA).

Этот подход может иметь дополнительные затраты. Хотя EtherCAT использует Open Software / Modified Ethernet, EtherCAT Technology Group можно назвать гибридом между ассоциацией и частным партнерством. Несмотря на это, EtherCAT обычно хорошо работает с другими производителями. Нужно просто быть уверенным в наличии поддерживаемых драйверов.

Sercos III

Управляемый Sercos International постоянно развивающийся и гибкий подход, использующий метод суммирования кадров и открытое программное обеспечение модифицированных локальных сетей.

Sercos III работает без концентраторов или коммутаторов, которые сокращают время цикла. Каждая станция имеет ASIC или FPGA. Это может работать лучше для топологии замкнутого кольца или линии (гирляндной цепи). Данные обрабатываются при прохождении через устройство с использованием различных типов телеграмм для разных типов связи. С полнодуплексной системой (две стороны могут общаться одновременно), цепочка срабатывает как кольцо. Кольцо обеспечивает избыточную передачу данных. Кроме того, два коммуникационных порта обеспечивают прямой кросс-трафик. Sercos III обрабатывает данные дважды за такт, а это означает, что устройства могут взаимодействовать друг с другом, не взаимодействуя с блоком «мастер».

PROFINET IRT

PROFINET IRT, разработанный Siemens и входящими в состав организации PROFIBUS, объединяет синхронизированные коммутаторы, которые управляют связью, а опрос обеспечивается с помощью подхода Open Software / Modified Ethernet. Интересно отметить, что PROFINET широко используется в Siemens и GE контроллерах и оборудовании, но практически ни одна компания, кроме упомянутых выше, не поддерживает этот стандарт.

Эволюция локальных сетей

В прошлом году ABB, Bosch Rexroth, B & R, Cisco, General Electric, KUKA, NI, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-EURODRIVE и TTTech сотрудничали под эгидой Industrial Internet Consortium (IIC) и OPC Foundation (Object Linking and Embedding for Process Control), чтобы принять унифицированную архитектуру OPC через чувствительную ко времени сеть (OPC UA TSN). Группа компаний стремится сделать это единым стандартом для поддержки будущих поколений промышленных сетей.

Продолжение разработки стандартов будет иметь важное значение для развития Ethernet, особенно когда речь идет о безопасности. В игру вступает больше сетей безопасности. Компании теперь внедряют функции безопасности через Ethernet, по сравнению с отдельными системами.

Как и в большинстве случаев, при поиске решения с Ethernet вам необходимо задавать правильные вопросы. Важно знать время цикла, полосу пропускания и точность часов (если вы используете протокол, который их включает), чтобы убедиться, что сеть будет работать на скорости, необходимой для вашего приложения. Узнайте, какие типы архитектур и сетей используют другие компании, поскольку это напрямую влияет на совместимость оборудования.

Некоторые производители предлагают оборудование для пробных испытаний, а другие компании делают сторонние продукты, чтобы помочь подключить изделия, которые могут плохо работать вместе. Например, Anybus является сторонним решением, которое может связываться между любой промышленной шиной, промышленным Ethernet или беспроводной сетью. Это может помочь наладить нормальную связь между оборудованием, которое плохо работает в паре друг с другом, или преодолеть технический разрыв между старыми и новыми машинами.

Читайте также: