Техническая карта и руководство по выбору промышленных коммуникационных протоколов 

В промышленной автоматизации оборудование разных производителей говорит на разных «языках». Siemens использует PROFINET, Rockwell выступает за EtherNet/IP, Beckhoff использует EtherCAT, а большое количество датчиков и преобразователей частоты по-прежнему обмениваются данными по протоколу Modbus. Как заставить эти устройства работать вместе — задача, с которой должен столкнуться каждый инженер по автоматизации.

Три поколения эволюции промышленных коммуникаций

Первое поколение: последовательная связь

Интерфейсы RS-232/RS-485 в сочетании с такими протоколами, как Modbus и PROFIBUS, заложили основу для промышленной связи. Их преимуществами являются простота, надежность и низкая стоимость; к недостаткам относятся низкая скорость передачи данных (максимум 12 Мбит/с), ограниченное количество узлов и неэффективные архитектуры типа «ведущий-ведомый».

Второе поколение: Промышленный Ethernet

Внедрение технологии Ethernet в промышленные условия решило проблему скорости (100 Мбит/с/1 Гбит/с), сохранив при этом детерминированные возможности связи. PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT и Powerlink являются типичными технологиями этого периода.

Третье поколение: сети, чувствительные ко времени (TSN)

Традиционный промышленный Ethernet требует специализированного оборудования для достижения производительности в реальном времени, в то время как TSN обеспечивает детерминированность и производительность в реальном времени на стандартном Ethernet за счет механизмов синхронизации времени и планирования трафика. TSN рассматривается как единая основа для будущих промышленных коммуникаций, способная передавать как ИТ-, так и ОТ-трафик и обеспечивать глубокую конвергенцию ИТ и ОТ.

Углубленный анализ основных протоколов.

PROFINET : Под руководством Siemens, подразделяется на PROFINET RT (в реальном времени) и PROFINET IRT (изохронное управление в реальном времени). IRT обеспечивает точное управление с дрожанием <1 мкс за счет аппаратной синхронизации, что делает его подходящим для сценариев управления движением. Он занимает лидирующие позиции в автомобильной и логистической отраслях.

EtherNet/IP: Разработан компанией Rockwell Automation, основан на протоколе CIP (Common Industrial Protocol) и использует тот же прикладной уровень, что и DeviceNet и ControlNet. Применяет механизмы неявного/явного обмена сообщениями и обладает значительным преимуществом на североамериканском рынке.

EtherCAT : Разработанная компанией Beckhoff, эта технология использует «обработку данных в процессе передачи». Сообщения последовательно проходят через каждую подчиненную станцию, получая и вставляя данные без задержек при переключении, что обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность использования полосы пропускания. Она широко используется в электронной промышленности и прецизионном машиностроении.

Modbus TCP: это версия Modbus RTU для Ethernet, простая и открытая, поддерживаемая практически всеми устройствами. Хотя её производительность в реальном времени не так высока, как у специализированных протоколов, она достаточна для таких сценариев, как сбор данных и автоматизация зданий.

CC-Link IE : Этот продукт, разработанный компанией Mitsubishi, занимает важное место на японском и азиатском рынках, поддерживает высокоскоростную связь со скоростью 1 Гбит/с и подходит для крупных и сложных систем.

Дерево решений выбора

Столкнувшись с множеством вариантов соглашений, как следует сделать выбор?

Совместимость оборудования : Какие протоколы поддерживает имеющееся оборудование? Есть ли какие-либо особые требования со стороны клиента или отрасли?

Требования к работе в реальном времени: управление движением требует синхронизации на уровне микросекунд, управление процессом может осуществляться на уровне миллисекунд, а сбор данных на уровне секунд также допустим.

Масштаб сети: крупным заводам необходимо учитывать топологию, распределение IP-адресов и возможности диагностики.

Конвергенция ИТ/ОТ : необходима ли прямая связь с информационными системами верхнего уровня (MES, ERP)? TSN и OPC UA — это направления будущего.

Резерв технического персонала: С какими протоколами знакома команда? Необходимо оценить затраты на обучение и сложность отладки.

Единый язык будущего: OPC UA

Если различные промышленные протоколы — это «диалекты», то OPC UA (Unified Architecture) — это «мандаринский диалект». OPC UA не заменяет полевую шину, а служит стандартом информационной модели для достижения единой семантики данных от датчиков до облака.

Технология OPC UA поверх TSN считается оптимальным решением: TSN обеспечивает детерминированную передачу данных, а OPC UA — возможности моделирования данных и взаимодействия. Такие гиганты отрасли, как Siemens, Rockwell и Beckhoff, совместно продвигают эту технологию, стремясь в будущем обеспечить связь «подключи и работай» между ПЛК и облаком.