Profibus fms что это
В оборудовании, используемом в области автоматизации технологических процессов, таком как датчики, исполнительные механизмы, передаточные устройства, приводы и программируемые логические контроллеры, все большее применение находит цифровая микроэлектроника. Для связи этих цифровых устройств промышленного назначения с более высокоуровневыми компонентами автоматизации все чаще применяются бит-последовательные промышленные шины (bit serial Fieldbus). В настоящее время в области шин промышленного назначения (Fieldbus) используются разнообразные сети частного применения. Зачастую это приводит к изолированным несовместимым решениям.
Необходимость в открытой, независимой от поставщика системе связи привела к разработке и стандартизации PROFIBUS.
В любом стандарте на промышленную шину (Fieldbus) для полного и ясного описания протокола необходимо множество определений. В результате появляется стандарт, который, на первый взгляд, кажется сложным. Здесь приводится краткий обзор технических возможностей и основных характеристик PROFIBUS. Для получения подробной технической информации следует обратиться к германскому национальному стандарту PROFIBUS, DIN 19245.
Рис.1 Спектр приложений PROFIBUS
Открытость
PROFIBUS гарантирует, что устройства, приобретенные от различных поставщиков, могут осуществлять связь друг с другом без необходимости применения интерфейсов-адаптеров. PROFIBUS стандартизирован Германским Национальным стандартом DIN 19245.
Независимость от поставщика
Устройства PROFIBUS предлагаются широким спектром квалифицированных поставщиков. Это позволяет пользователю выбирать наиболее подходящего поставщика и наилучшие изделия.
Сертифицируемость
Тестирование устройств PROFIBUS на соответствие стандарту и совместимость для совместной работы, осуществляемое уполномоченными тестовыми лабораториями, и сертифицирование PNO дают пользователям гарантию качественной работы в сетях, построенных на изделиях разных поставщиков.
2. Семейство PROFIBUS
PROFIBUS состоит из некоторого ассортимента совместимых продуктов. В зависимости от приложения существует три основных варианта PROFIBUS:
PROFIBUS-DP
Это оптимизированная по производительности версия PROFIBUS, предназначенная специально для критичных ко времени взаимодействий между системами автоматизации и распределенным периферийным оборудованием. PROFIBUS-DP базируется на Части 1 стандарта DIN 19245, которая дополняется функциями эффективной связи специального назначения. С 1993 года версия PROFIBUS-DP доступна как проект Германского стандарта DIN 19243, Часть 3.
Рис.2 Семейство протоколов PROFIBUS
3. Основные характеристики PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP
В стандарте PROFIBUS определяются технические и функциональные характеристики последовательной промышленной шины Fielbus, которая связывает распределенные цифровые field-устройства ближнего (уровень датчиков/исполнительных устройств) и среднего (цеховой уровень) радиуса действия. Система включает ведущие (master) и ведомые (slave) устройства.
Ведущие устройства могут управлять шиной. Когда у ведущего (master) устройства есть право доступа к шине, оно может передавать сообщения без удаленного запроса. В протоколе PROFIBUS ведущие устройства называются «активными станциями» (active stations).
3.1. Архитектура протокола PROFIBUS
Стандарт PROFIBUS базируется на множестве существующих национальных и международных стандартов. В основе архитектуры этого протокола лежит эталонная модель соединения открытых систем OSI (Open Systems Interconnection) в соответствии с международным стандартом ISO 7498. Архитектура протокола PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP показана на рис. З.
Рис.3 Архитектура протоколов PROFIBUS-FMS и DP
В обоих вариантах используется один и тот же протокол доступа к передающей среде (Уровень 2) и одна и та же техника передачи (Уровень 1).
В PROFIBUS-DP уровни с 3 по 7 не используются. Прикладной Уровень (7) в целях достижения нужной производительности опускается. Удобное отображение функций Уровня 2 на Пользовательский Интерфейс предоставляет Прямой Преобразователь Канальных Данных DDLM (Direct Data Link Mapper). В Пользовательском Интерфейсе есть доступные пользователю прикладные функции. Кроме того, Пользовательский Интерфейс задает режимы работы различных типов PROFIBUS-DP-устройств и их взаимодействие с системой.
3.2. Физический Уровень (1) протокола PROFIBUS
На область применения системы Fieldbus в значительной степени влияет выбор передающей среды и интерфейс с физической шиной. Решающими факторами, помимо требования сохранения целостности информации, являются прогнозируемая стоимость и используемый кабель. Поэтому для разных технологий передачи в стандарте PROFIBUS определяются уникальные протоколы доступа к передающей среде:
Медный провод. В соответствии с американским стандартом EIA RS-485 этот вариант является базовым в технике передачи данных для приложений промышленности, автоматизации строительства и управления приводами. В нем используется двухпроводная витая пара с экранированием или без. Возможны двухпроводные варианты с различными максимальными расстояниями. Назначение контактов разъема и проводка витой пары показаны на рис. 4.
Рис.4 Кабель шины PROFIBUS-DP и PROFIBUS-FMS
Оптоволоконный кабель. В цепях увеличения длины шины при высокоскоростных передачах и реализации приложений, работающих в средах с большими помехами, PNO в настоящее время разрабатывает спецификацию на технику оптоволоконной передачи. Эта спецификация есть в PNO как предложение в рамках общего курса деятельности PNO.
Внутренняя защита. В опасных местах PNO рекомендует использовать технику передачи PROFIBUS-ISP. В ISP используется международный стандарт Уровня (1) IEC 1158-2.
Основные характеристики техники передачи RS-485
— Топология сети. Линейная шина с оконечными нагрузками на обоих концах. Возможны заглушки.
— Передающая среда. Экранированная витая пара (STP-Shielded Twisted Pair). В зависимости от окружающей среды экранирование может отсутствовать (UTP-Unshielded Twisted Pair).
— Количество станций. 32 станции в каждом сегменте без повторителей. С повторителями есть возможность расширения до 127.
— Максимальная длина шины (без повторителя). Кабель А: 200 м при 1500 Кбит/с, до 1,2 км при 93,75 Кбит/с. Кабель В: 200 м при 500 Кбит/с, до 1,2 км при 93,75 Кбит/с.
— Максимальная длина шины (3 последовательных повторителя). Кабель А: 800 м при 1500 Кбит/с, до 4,8 км при 93,75 Кбит/с. Кабель В: 800 м при 500 Кбит/с, до 4,8 км при 93,75 Кбит/с.
— Скорость передачи. Выбирается из ряда: 9,6; 19,2; 93,75; 187,5; 500; 1500 Кбит/с.
— Соединитель. 9-контактный разъем D-Sub.
3.3. Канальный Уровень (2) протокола PROFIBUS
Для Управления Доступом к Передающей Среде в протоколе PROFIBUS учтено два важных требования.
В случае взаимодействия между сложными компонентами автоматизации с равными правами доступа к шине (ведущими устройствами) должна быть гарантия того, что каждая из этих станций для выполнения своих задач взаимодействия получает необходимый доступ к шине в течение точно заданного временного интервала.
В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации и простыми периферийными устройствами (ведомыми) периодический обмен информацией, осуществляемый в реальном масштабе времени, достигается как можно проще и быстрее.
Метод ведущий-ведомый позволяет ведущему устройству (активной станции), которому в настоящий момент принадлежит право передачи информации, взаимодействовать с ведомыми устройствами (пассивными станциями). Каждое ведущее устройство имеет возможность получать данные от ведомых устройств и передавать данные ведомым устройствам.
Используемый в PROFIBUS гибридный метод доступа в передающей среде дает возможность реализовать:
— систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведомый;
— систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведущий (с передачей маркера);
— систему, в которой применяется комбинация этих методов.
На рис. 5 показана структура PROFIBUS с тремя активными станциями (ведущими устройствами) и семью пассивными станциями (ведомыми устройствами). Три ведущих устройства образуют логическое маркерное кольцо.
После того как активная станция получает маркер, ей на определенное время дается разрешение выполнять на шине функции ведущего устройства. Она может взаимодействовать со всеми ведомыми станциями по методу ведущий-ведомый и со всеми ведущими станциями, участвующими во взаимоотношениях по методу ведущий-ведущий.
Уровень 2 PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления связи. Он предлагает как передачу точка-точка, так и многопунктовую связь (широковещательную и групповую).
Широковещательная связь означает, что активная станция посылает всем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение.
Групповая связь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группе ведущих или ведомых устройств.
Сервисные функции Канального Уровня (2) PROFIBUS.
— Функция SDA. Назначение: Послать Данные с Подтверждением (Send Data with Acknowledge). Используется протоколом FMS.
— Функция 3RD. Назначение: Послать и Запросить Данные с Ответом (Send and Request Data with Reply). Используется протоколом FMS и DP.
— Функция SON. Назначение: Послать Данные без Подтверждения (Send Data With No Acknowledge). Используется протоколом FMS и DP.
— Функция CSRD. Назначение: Периодически Посылать и Запрашивать Данные с Ответом (Cyclic Send and Request Data with Reply). Используется протоколом FMS.
4. PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-FMS предназначен для взаимодействия между интеллектуальными field-устройствами и контроллерами и для обмена информацией между контроллерами. Поэтому функциональные возможности важнее времени реакции. Как правило, обмен информацией осуществляется по запросу прикладного процесса и не является циклическим.
4.1. Прикладной Уровень (7)
В спецификации FMS описываются объекты взаимодействия, прикладной сервис и результирующие модели с точки зрения взаимодействующего партнера. Интерфейс LLI служит для адаптации прикладных функций к разным характеристикам Уровня 2.
4.2. Коммуникационная модель
4.3. Объекты коммуникации
— Заголовка (содержит информацию о структуре данного OD).
— Списка Статических Типов (содержит список поддерживаемых типов статических данных).
— Словаря Статических Объектов (содержит все статические объекты коммуникации).
— Динамического Списка Списков Переменных (содержит действующий список всех списков известных переменных).
— Динамического Списка Программ (содержит список всех известных программ).
Специальные части OD реализуются только в случае, если данное устройство поддерживает соответствующие функции.
Статические объекты коммуникации должны определяться в статическом Словаре Объектов (OD). Они могут определяться заранее производителем данного устройства или во время конфигурирования системы с описываемой шиной. Статические объекты коммуникации используются, в основном, в field-области. В PROFIBUS различаются следующие статические объекты связи:
— Массив (ряд простых переменных одного типа);
— Запись (последовательность простых переменных разных типов);
— Домен (диапазон данных);
Динамические объекты коммуникации вводятся в динамическую часть OD. Они могут предопределяться во время конфигурирования или динамически определяться, удаляться или изменяться прикладными службами во время работы.
PROFIBUS поддерживает следующие объекты коммуникации:
— Список Переменных (последовательность простых переменных, массивов или записей).
Для адресования объектов коммуникации предпочтителен метод логической адресации. Доступ к ним осуществляется с помощью короткого адреса, называемого индексом. Индекс представляет собой шестнадцатеричное число без знака.
При этом возможна эффективная передача сообщений и минимизируются накладные расходы протокола. В OD индекс определяется для каждого объекта коммуникации. Все объекты PROFIBUS должны поддерживать метод логической адресации.
Кроме того, для специальных приложений PROFIBUS-FMS позволяет другие варианты методов адресации:
— Адресация по имени. (Через шину передается символическое имя объектов связи.)
— Физическая адресация. (Доступ к любой ячейке физической памяти в field-устройствах можно получать с помощью служебных функций PhysRead и PhysWrite).
Для каждого объекта коммуникации есть возможность установить защиту от несанкционированного доступа. Доступ к объекту или определенной группе устройств возможен только через пароль. Пароль и группа устройств могут задаваться индивидуально для каждого объекта в OD. Кроме того, по определению в OD можно ограничивать объем прав сервиса на доступ к объекту (например, разрешается доступ только на чтение).
Рис.7 Сводка прикладных сервисных функций PROFIBUS
4.4. Сервисные функции FMS
Рис.8 Выполнение подтверждаемых сервисных функций
Во взаимодействиях, ориентированных на установление соединения, допускаются только подтверждаемые сервисные функции. Последовательность подтверждаемых сервисных функций показана на рис. 8.
Во взаимодействиях, при которых соединение не устанавливается (широковещательные или групповые передачи), могут также использоваться неподтверждаемые сервисные функции. Они могут передаваться с высоким или низким приоритетом. Неподтверждаемая сервисная функция запускается с помощью примитива службы запросов. После завершения передачи через шину для пользователей Приемников издается «примитив службы индикации». Для неподтверждаемых функций «примитивы служб подтверждения/ответа» опускаются.
FMS-службы подразделяются на следующие группы:
— Службы Управления Контекстом позволяют устанавливать и отменять логические соединения, а также отвергать недопустимые сервисные функции.
— Службы Доступа к Переменным позволяют осуществлять доступ к простым переменным, записям, массивам и спискам переменных.
— Службы Управления Доменами разрешают передачу больших областей памяти. Прикладная программа расщепляет эти данные на передаваемые сегменты.
— Службы Управления Выполнением Программ позволяют управлять ходом выполнения программы.
— Службы Управления Событиями позволяют передачу сигнализирующих сообщений. Эти неподтверждаемые сервисные функции могут использоваться с низким или высоким приоритетом. Сообщения о событиях могут также передаваться по широковещательной или групповой связи.
— Службы Поддержки VFD (Виртуальных Field-Устройств) позволяют идентифицировать устройства и сообщать об их состоянии. По широковещательной или групповой связи по инициативе участвующего во взаимодействиях устройства могут передаваться непредусмотренные Статусные сообщения.
— Службы Управления OD позволяют читать или записывать в Словари Объектов (Object Dictionaries).
Для удовлетворения разнообразных требований field-устройств во взаимодействии можно реализовать большое количество прикладных служб PROFIBUS-FMS. Обязательна реализация всего лишь нескольких прикладных служб. Выбор остальных зависит от конкретного приложения и специфицируется в так называемых «Профилях» («Profiles»).
4.5. Интерфейс Нижнего Уровня (LLI)
Преобразование Уровня 7 в службы Уровня 2 осуществляется Интерфейсом LLI. Он управляет потоком данных, отслеживает состояние соединений и устанавливает соответствие служб FMS с Уровнем 2, учитывая различные типы устройств (ведущие/ведомые).
Пользователь взаимодействует с другими прикладными процессами через логические каналы, которые представляют собой коммуникационные связи. Для выполнения служб FMS и FMA7 LLI предоставляет разные виды коммуникационных связей. Они отличаются свойствами своих соединений (механизмом отслеживания, возможностями передачи данных и потребностями на удаленной станции). Выбор зависит от нужд прикладного процесса. На рис. 9 показаны различные коммуникационные связи.
Рис.9 Сводка поддерживаемых коммуникационных связей
Коммуникационные связи, ориентированные на соединение, представляют собой логическое соединение между двумя прикладными процессами типа точка-точка. Перед тем как соединение сможет использоваться для передачи данных, оно должно быть установлено с помощью функции «Инициировать Обслуживание» («Initiate Service»). После успешной установки соединение защищается от доступа третьей стороны и может использоваться для передачи данных с помощью различных служб FMS. Если для передачи данных установленное соединение больше не нужно, его можно отменить функцией «Завершить Обслуживание» («Abort Service»). Для коммуникационных связей, ориентированных на соединение, LLI предоставляет возможность отслеживания контролируемых по времени соединений.
Коммуникационные связи без установления соединения позволяют одновременное взаимодействие одного устройства с несколькими станциями. Могут использоваться только неподтверждаемые сервисные функции.
С помощью широковещательных коммуникационных связей не подтверждаемая сервисная функция одновременно передается всем остальным станциям.
С помощью групповых коммуникационных связей неподтверждаемая сервисная функция одновременно передается некоторой группе станций (ведущим или ведомым устройствам) Типичными применениями этих функций является синхронизация процессов или передача глобальных сигналов.
4.6. Управление сетью
Рис.10 Сводка служб управления (FMA7)
Службы управления контекстом позволяют устанавливать и убирать управляющие соединения. Службы управления конфигурированием позволяют загружать и считывать CRL (Список Коммуникационных Ссылок). Они позволяют также доступ к переменным, статистическим счетчикам и параметрам Уровней 1/2. идентификацию коммуникационных компонентов станций и регистрацию станций. Служба управления обнаружением неисправностей указывает на неисправности или события и позволяет производить общий сброс станций.
5. Профили PROFIBUS-FMS
Для того чтобы сделать шинную систему более универсальной в прикладном смысле, в PROFIBUS-FMS специфицируется широкий спектр функций. Для различных field-приложений необходимо приспособить эти функции к конкретным требованиям. Это делается при помощи специальных прикладных определений, называемых «Профилями». Благодаря профилям, PROFIBUS-устройства различных производителей, соответствующие одному и тому же профилю, обладают одинаковыми коммуникационными возможностями. Профили дают больше информации, чем простой выбор коммуникационных параметров. Они включают дополнительные специфические определения коммуникационных функций, а также интерпретацию статусных сообщений и сообщений об ошибках. Определением Профилей занимаются Пользовательские Группы PNO.
Протоколы Profibus FMS
Протоколы Profibus FMS разработанные специально для обеспечения управления в автоматизированных системах производственных предприятий главным образом предназначены для обеспечения связи между станциями оператора (панелью оператора) и программируемыми контроллерами. Наиболее часто данные протоколы применяют в тех сферах, где важна не скорость выполнения операций и процессов, а высокая надежность и функциональность.
При использовании протоколов Profibus FMS можно использовать отношения клиент-сервер.В данном случае клиент – это процесс приложения, который обращается за определенной услугой к автоматизированным объектам. В тогда сервер выступает исполнителем услуги. Протоколы предоставляют в распоряжение клиента объекты связи.
Большинство оборудования корпорации Сименс использует в своих устройствах и сетях именно протоколы данного поколения международного класса. Например, такие устройства как SIMATIC S7, SIMATIC S5 и CP 5431FMS, работают согласно именно данному протоколу. Для обеспечения нормального функционирования производственных процессов, часто может использоваться комбинированный график работы устройств.
В качестве примера можно привести то, что часто мастером и ведомым устройством применяется протокол DP, а сами мастера между собой сообщаются при помощи протоколов FMS. Основная нагрузка в протоколах FMS приходится на приложения. Для этого они обеспечиваются коммуникационными службами, и могут использоваться непосредственно пользователем.
Коммуникационная модель протоколов Profibus FMS позволяет объединить все процессоры в единое целое при помощи применения коммуникационных систем связи между отдельными устройствами.
Обзор современных протоколов в системах промавтоматики
В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN.
В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.
Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».
Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.
Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff
Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.
Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.
Контроллер Beckhoff с набором модулей ввода-вывода. Источник: www.beckhoff.de
Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.
Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):
Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.
Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.
Схематичное представление сети Ethercat с несколькими узлами. Источник: realpars.com
Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.
Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens
Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.
Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.
Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.
Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmerica
В сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.
Контроллер Siemens с подключенным кабелем PROFINET. Источник: w3.siemens.com
Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.
Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:
Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.
В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.
Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью.
Источник: PROFINET university lesson
Второй протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами.
Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R
Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно.
В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.
Контроллер B&R с набором модулей ввода-вывода. Источник: br-automation.com
Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.
В протоколе Powerlink используется механизм планирования обмена. В сеть посылается некий маркер или управляющее сообщение, с помощью него определяется, какое из устройств имеет в данный момент разрешение на обмен данными. В каждый момент времени доступ к обмену может иметь только одно устройство.
Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.
В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные.
Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.
Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation
Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.
Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.
В дополнение к стандартным функциям протоколов HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP реализует передачу критичных ко времени доставки данных между опрашивающим контроллером и устройствами ввода/вывода. Передача некритичных ко времени данных обеспечивается пакетами TCP, а критичная ко времени доставка циклических данных управления идет по протоколу UDP.
Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.
Схематическое изображение сети Ethernet/IP с несколькими узлами и подключением Modbus-устройств. Источник: www.icpdas.com.tw
Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.
Реализация протокола FBUS в компании Fastwel
Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.
Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.
FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.
Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Россия
Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП
Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).
Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.
Источник: HMS Networks AB
Как видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают лидирующие позиции.
В таблице ниже собраны сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность выражены абстрактными терминами: высокая /низкая. Числовые эквиваленты можно отыскать в статьях по анализу производительности.
