что такое профибас и профинет

Modbus и PROFINET/PROFIBUS: Невероятно быстро, невероятно просто

Мифы о трудностях преобразования протоколов в эпоху IIoT

Промышленный Интернет вещей (IIoT) позволяет предприятиям использовать возможности своих систем по максимуму. IIoT предлагает новые возможности для сбора информации и новые варианты приложений по автоматизации, например, системы управления энергией (EMS) и системы управления оборудованием и процессами (FMCS). Но новые возможности создают новые проблемы, например, возникает вопрос невозможности обработки собранных с полевых устройств данных какого-либо протокола и передачи их в центр управления.

Брошюра

Преобразователи протоколов для расширения возможностей приложений автоматизации производства.

Из-за большого количества используемых протоколов устройства и система управления часто говорят на разных языках. Например, PROFINET и PROFIBUS – это протоколы, обычно используемые в ПЛК и SCADA-системах, в то время как полевые устройства, такие как счетчики и частотно-регулируемые электроприводы, обмениваются данными по протоколам Modbus. Решение этой проблемы обновлением системы не означает, что старые устройства уже не нужны. Прелесть IIoT состоит в том, чтобы использовать уже имеющиеся устройства во избежание дополнительных затрат.

Структура системы

Основные проблемы, возникающие при подключении устройств к сетям PROFINET/PROFIBUS

Централизованные модули ПЛК повышают требования к проводке

Устройства в централизованной системе управления подключаются непосредственно к ПЛК, к этому же ПЛК подключаются модули работы с Modbus. Следовательно, требуются большие затраты на прокладку электропроводки, а также на добавление дополнительных модулей ПЛК. Кроме того, увеличение затрат связано с необходимостью нанимать опытных программистов с опытом работы с различными протоколами, во избежание возникновения конфликтов между протоколами, и опытом настройки и обслуживания устройств.

Замена устройств на новые увеличивает затраты на оборудование

Чтобы подключить устаревшие устройства к сети PROFINET или PROFIBUS, на устройствах можно установить коммуникационные платы для прямой связи через PROFINET или PROFIBUS. Но вариант это дорогостоящий, особенно в больших сетях, где необходимо обновлять сотни и тысячи устройств. Более того, еще одна проблема заключается в ограниченном количестве адресов PROFIBUS slave ID, которые могут быть подключены к ПЛК.

Добавление небольших ПЛК требует увеличения расходов на техническое обслуживани

Добавление небольших ПЛК между главным ПЛК и устаревшими устройствами для преобразования протоколов – еще одна возможность подключения устройств к сети PROFINET или PROFIBUS. Однако такой сети требуются высококвалифицированные специалисты для программирования и устранения неполадок. Часто инженеры не знакомы со всеми протоколами и тратят много времени, чтобы найти проблему, в то время как в системе случается простой.

3 причины, зачем нужны преобразователи (шлюзы) протоколов Moxa

Компания Moxa понимает, с какими проблемами сталкиваются ее клиенты, и благодаря огромному опыту в области промышленной автоматизации, разработала оптимальное решение для преобразования протоколов.

1. Снижение затрат и гибкость системы

Автономные шлюзы – лучший вариант для решения проблем преобразования протоколов, а также продления срока службы существующих устройств во избежание лишних затрат.

Шлюзы играют важную роль в решении проблем передачи данных от устройств с разными протоколами, а также снижают затраты, позволяя сохранить уже установленные устаревшие устройства и ПЛК. Они не только позволяют преобразовывать протоколы между устаревшими устройствами и ПЛК, но и собирать данные с разных объектов, прежде чем отправлять их на ПЛК или в SCADA-систему. Таким образом, добавление в систему преобразователя протоколов позволяет децентрализованной сети быть гибкой и расширяемой, а также экономить на затратах на прокладку кабелей.

Особенности преобразователей протоколов компании Moxa:

2. Быстрая и удобная настройка

Настройка оборудования редко бывает простой, поэтому компания Moxa позаботилась о том, чтобы преобразователи протоколов были максимально просты в настройке и использовании.

Преобразователи протоколов Moxa имеют удобный интерфейс, который позволяет пользователю быстро настроить преобразование для большинства задач, предотвращая необходимость выполнять подробные настройки параметров один за другим. С помощью мастера настройки можно легко получить доступ к режимам преобразования протоколов и завершить настройку за пять шагов.

3. Сокращение времени простоя

Встроенные средства устранения неполадок в преобразователях протоколов Moxa помогают администраторам быстро определить основную причину сбоя и сократить время простоя.

Преобразователи протоколов Moxa обладают встроенными средствами устранения неполадок, такими как диагностика протоколов и мониторинг трафика, и предлагают легкий способ поиска основной причины сбоя. Функция контроля состояния предоставляет информацию о состоянии полевых устройств, которая включает в себя список устройств, счетчик, результат завершенных команд и предупреждает SCADA-систему, когда устройство slave не отвечает. Функция защиты от сбоев (fault protection) задает предустановленные настройки всем полевым устройствам для перевода устройств в безопасное состояние в случае потери связи.

Примечания по применению

Брошюра

Преобразователи протоколов для расширения возможностей приложений автоматизации производства.

Рост популярности концепции Индустрии 4.0 (Industry 4.0) дал заводам новые возможности для модернизации своих систем автоматизации и внедрения систем интеллектуального производства. Однако указанные модернизации сопряжены с проблемами, например, необходимостью подключения большого количества Modbus-устройств к системам управления сетью, таким как ПЛК и SCADA-системы, которые обычно используют протоколы PROFINET или PROFBUS. Чтобы преодолеть несовместимость между протоколами, шлюзы протоколов обеспечивают бесшовное преобразование данных.

Источник

PROFIBUS vs PROFINET

Основные характеристики протоколов PROFIBUS / PROFINET:

Оба протокола были созданы при участии компании Siemens AG и поддерживаются консорциумом PROFIBUS & PROFINET International (PI). Конфигурация устройств описывается GSD-файлом (General Station Description) в виде ASCII-файла для PROFIBUS и XML-файла для PROFINET соответственно. У PROFIBUS и PROFINET также есть общие профили для определенных устройств или приложений, например:

Протокол PROFIBUS был разработан в 1989 году компанией Siemens для собственных промышленных контроллеров Simatic. В глобальном смысле это был качественный переход от аналоговых сигналов 4-20 мА к цифровым промышленным сетям (RS-485), на базе которых были разработаны несколько совместимых друг с другом спецификаций Profibus PA, Profibus DP и Profibus FMS. В настоящее время наблюдается качественный переход от RS-485 к быстро распространяющимся промышленным стандартам Ethernet. PROFINET, используя коммерческий успех Ethernet, в какой-то степени «предвидел будущее» оценив скоростные характеристики Ethernet (100 Мбит/с, сегодня может работать на скоростях Gigabit Ethernet и выше). Протокол Ethernet характеризуется высокой пропускной способностью, большим размером передаваемого пакета данных и неограниченным адресным пространством (ограничение только пределами производительности контроллера).

PROFIBUS может передавать сообщения по беспроводной сети, что часто требует специализированных средств от того же производителя. PROFINET, будучи стандартом, основанным на Ethernet, использует беспроводные спецификации IEEE 802.11, 15.1.

На многих предприятиях используются шлюзы для перехода из локальных сетей Ethernet в сеть PROFIBUS, либо из PROFINET в PROFIBUS. Пример подобного шлюза изображен на рис. 1

Рис 1. Шлюз Hilscher NT 100-RE-DP для связи PROFINET IO и PROFIBUS DP
Но так как использование PROFINET является качественно новым подходом, позволяющим связать в единую сеть реального времени практически все устройства предприятия, возникает проблема организации данной связи. Для комплексного решения этой задачи рекомендуется использовать мощный прокси-сервер. Прокси-сервер используется как шлюз для перевода данных одного протокола в другой, при этом поддержка протоколов может быть очень обширной. Например возможность работы сразу с PROFIBUS DP, PROFIBUS РА, AS-интерфейса, IO-Link, сетей DeviceNet, Foundation Fieldbus, CANopen, Modbus, HART и т. д. Например, IO-Link и AS-интерфейс позволяют контактировать с интеллектуальными устройствами минуя Ethernet- порт.

Во многих случаях, когда требуется установить связь между сетями fieldbus и Ethernet, прокси-сервер позволяет сделать эту связь бесшовной. Ниже представлена графическая схема магистральной шины PROFINET, прокси-сервера и PROFIBUS-устройств.

Рис 2. Прокси-сервер между PROFINET и PROFIBUS

В сети PROFIBUS данные от ведомого устройства проходят в сеть PROFINET через прокси-сервер (Master в модели ведущий/ведомый по отношению к PROFIBUS-устройствам). Прокси-сервер может быть выполнен, в том числе, для взрывоопасных сред.

Современные стандарты

PI (PROFIBUS & PROFINET International) ежегодно проводит аудит новых узлов. По итогам 2016 года, к устройствам с PROFIBUS и PROFINET добавилось 2,4 м и 3,6 млн. устройств соответственно. 2016 год стал первым годом, в котором PROFINET-устройств было продано больше, чем устройств стандарта PROFIBUS, общее количество которых в мире составляет более 56,1 млн.

Рис 3. Количество устройств, присоединенных к PROFINET

Рис 4. Процентное соотношение PROFINET и PROFIBUS

Резюме

Существует достаточно различий между PROFIBUS и PROFINET, например, в пропускной способности, возможности использования протокола TCP/IP. Но, несмотря на то, что распространение PROFINET в настоящий момент опережает PROFIBUS, этот стандарт еще долго будет использоваться во многих областях промышленности, транспорте, энергетике, где задачи управления обладают приоритетом над скоростью и гибкостью. В конце концов, переход промышленных систем от сетей PROFIBUS на новые технологии, такие как PROFINET, должен проводиться поэтапно, согласованно с задачами непрерывного управления производством. Существуют разные стратегии перехода, но в целом с помощью технологий консорциума PI обеспечена плавная и экономичная миграция в современный и гибкий стандарт путем интеграции последовательной шины fieldbus через прокси-сервер в PROFINET.

Источник

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.

Источник