Profinet и ethernet отличия
Об Ethernet и особенно промышленном Ethernet стали все чаще говорить в различных областях производства. Хотя их названия схожи, они имеют разные характеристики и преимущества. В этой статье мы рассмотрим, что из себя представляют Ethernet и промышленный Ethernet и чем они отличаются.
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
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
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.
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.
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.
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.
Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.
PROFINET® FAST CONNECT
Конструкция Fast Connect облегчает монтаж коннектора благодаря специально разработанной внутренней оболочке и разделительной крестовине вместо парного экранирования. Это значительно сокращает время сборки и при этом обеспечивает выполнение все требований к экранированию и эксплуатации. Сложное четырехкратное удаление парного экранирования больше не требуется. Используя соответствующий инструмент, изоляция может быть снята непосредственно с жил витой пары.
Все компоненты Fast Connect имеют аббревиатуру «FC» в обозначении артикула.
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
Нижний уровень или полевая шина — то, с чего всё начинается
Этот неясный для непосвященных набор слов используется, когда нужно описать средства общения устройств управления с подведомственным оборудованием, например, модулями ввода-вывода или измерительными устройствами.
Под устройствами управления мы подразумеваем ПЛК, т.е. программируемые логические контроллеры (англ. PLC), или ПКА, т.е. программируемые контроллеры автоматизации (англ. PAC). Между ПЛК и ПКА есть некоторые различия, однако, в рамках данной статьи они не существенны, поэтому для упрощения будем использовать общий термин «контроллер».
В русскоязычном сообществе асушников канал общения между контроллером и другими устройствами обычно называют «полевой шиной», потому что он отвечают за передачу данных, которые приходят с «поля».
«Поле» — это глубокий профессиональный термин, обозначающий тот факт, что некое оборудование (например, датчики или исполнительные механизмы), с которым взаимодействует контроллер, находятся где-то далеко-далеко, на улице, в полях, под покровом ночи. И неважно, что датчик может быть расположен в полуметре от контроллера и измерять, допустим, температуру в шкафу автоматики, все равно считается, что он находится «в поле». Чаще всего сигналы с датчиков, приходящие в модули ввода-вывода все-таки преодолевают расстояния от десятков до сотен метров (а иногда и больше), собирая информацию с удаленных площадок или оборудования. Собственно, поэтому шина обмена, по которой контроллер получает значения с этих самых датчиков, называется обычно полевой шиной или реже шиной нижнего уровня или промышленной шиной.
Тут следует отметить, что в Европе и США полевым уровнем считаются только сами устройства, расположенные «в поле», но не среда передачи данных. В российских реалиях термин «полевая шина» или «шина нижнего уровня», пожалуй, слегка размыт и обозначает способ передачи данных от модулей ввода-вывода к контроллеру и наоборот.
Общая схема автоматизации промышленного объекта
Итак, электрический сигнал от датчика проходит некое расстояние по кабельным линиям (чаще по обычному медному кабелю с некоторым количеством жил), к которым подсоединяются несколько датчиков. Затем сигнал попадает в модуль обработки (модуль ввода-вывода), там он преобразуется в понятный контроллеру цифровой язык. Далее этот сигнал по полевой шине попадает непосредственно в контроллер, где и обрабатывается уже окончательно. На основе таких сигналов и строится логика работы самого контроллера. Существует и обратный путь: от контроллера команда управления по полевой шине попадает в модуль вывода, где преобразуется из цифрового вида в аналоговый и поступает по кабельным линиям к исполнительным механизмам и различным устройствам (на схеме выше не указаны).
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.
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.
Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.
Что такое Industrial Ethernet / промышленный Ethernet?
Промышленный Ethernet является преемником традиционного Ethernet для офисного применения и используется в основном для передачи данных в промышленном производстве. Для этого есть веские причины: промышленный Ethernet предлагает бесперебойную сетевую инфраструктуру в реальном времени. Области применения разнообразны и охватывают как физический уровень и уровень контроллера, так и уровень MES / ERP, Manufacturing Execution System (MES) для координации заказов и Enterprise Resource Planning (ERP) для планирования ресурсов предприятия. Технология промышленного Ethernet включает в себя большое адресное пространство для участников. С адресацией IPV6 могут быть реализованы сети с практически неограниченным количеством участников. Большие объемы данных могут передаваться одновременно и на высоких скоростях до 40 Гбит / с по меди. Это также относится к передаче данных на большие расстояния: расстояния до 80 км могут быть преодолены с помощью оптоволоконных кабелей. Сети могут быть легко расширены и сегментированы с помощью коммутаторов и маршрутизаторов.
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 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.
Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.
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.
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.
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.
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).
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.
Наверняка многие и вас знают или даже видели, каким образом управляются большие автоматизированные объекты, например, атомная станция или завод со множеством технологических линий: основное действо часто происходит в большой комнате, с кучей экранов, лампочек и пультов. Это комплекс управления обычно называется ГЩУ — главный щит управления для контроля за производственным объектом.
Наверняка вам было интересно, как всё это работает с точки зрения аппаратной и программной части, и какие там используются протоколы передачи данных. В этой статье мы разберемся, как различные данные попадают на ГЩУ, как подаются команды на оборудование, и что вообще нужно, чтобы управлять компрессорной станцией, установкой производства пропана, линией сборки автомобиля или даже канализационно-насосной установкой.
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.
Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.
Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.
Что такое Ethernet
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].
СТАНДАРТЫ ETHERNET
PROFINET®
PROFINET® является ведущим стандартом открытого промышленного Ethernet для всех областей технологии промышленной автоматизации в Европе. Этот тип коммуникационной системы позволяет осуществлять обмен данными в режиме реального времени между контроллерами и полевыми устройствами с использованием промышленного Ethernet. PROFINET® является преемником PROFIBUS®, стандарта протокола полевой шины (fieldbus), который стандартизирован организацией пользователей PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP играет активную роль в дальнейшем развитии PROFINET®.
RT (в реальном времени) вариант PROFINET® позволяет устройствам контроллера и полевым устройствам обмениваться данными в режиме реального времени. Для этого не нужно предъявлять дополнительные требования к сетевым компонентам. Время цикла для обмена данными без синхронизации часов составляет ок. 10 миллисекунд Вариант RT используется, например, в системах удаленного ввода-вывода.
Когда речь идет о специальных приложениях, которые требуют синхронизации по времени, например, для синхронизации сервоприводов, важно использовать изохронную связь между контроллером и полевым устройством, как это предусмотрено в варианте IRT (изохронного реального времени) PROFINET®. Сети IRT предъявляют дополнительные требования к оборудованию, и стандартные коммутаторы Ethernet не подходят в этом случае. Время цикла для обмена данными составляет менее 1 миллисекунды.
Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции
Верхним уровнем называют все то, к чему может прикасаться обычный смертный оператор, который управляет технологическим процессом. В простейшем случае верхний уровень представляет собой набор лампочек и кнопочек. Лампочки сигнализируют оператору о неких происходящих событиях в системе, кнопочки служат для подачи команд контроллеру. Такую систему часто называют «гирлянда» или «ёлка», потому что выглядит очень похоже (как можно убедиться по фотографии в начале статьи).
Если оператору повезло больше, то в качестве верхнего уровня ему достанется панель оператора — некий плоскопанельный компьютер, который тем или иным образом получает данные для отображения от контроллера и выводит их на экран. Такая панель обычно монтируется на сам шкаф автоматики, поэтому взаимодействовать с ней приходится, как правило, стоя, что вызывает неудобства, плюс качество и размер изображения — если это малоформатная панелm — оставляет желать лучшего.
Ну и, наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (а то и несколько дублирующих), представляющая собой обычный персональный компьютер.
Для наглядного отображения информации на рабочих станциях и плоскопанельных компьютерах используют специализированное программное обеспечение — SCADA-системы. На человеческий язык SCADA переводится как система диспетчерского управления и сбора данных. Она включает в себя множество компонентов, таких как человеко-машинный интерфейс, визуализирующий технологические процессы, систему управления этими процессами, систему архивирования параметров и ведение журнала событий, систему управления тревогами и т.д. Всё это дает оператору полноценную картину происходящих на производстве процессов, а также возможность ими управлять и оперативно реагировать на отклонения от технологического процесса.
Оборудование верхнего уровня обязано взаимодействовать неким образом с контроллером (иначе зачем оно нужно?). Для такого взаимодействия используются протоколы верхнего уровня и некая технология передачи, например, Ethernet или UART. В случае с «ёлкой» таких изощрений, конечно, не нужно, лампочки зажигаются с использованием обычных физических линий, никаких мудреных интерфейсов и протоколов там нет.
В общем-то, этот верхний уровень менее интересен, нежели полевая шина, поскольку этого верхнего уровня может вообще не быть (из серии нечего там смотреть оператору, контроллер сам разберется, что и как нужно делать).
В чем разница между Ethernet и Industrial Ethernet?
Ethernet изначально предназначен для офисной сети и обычно подключается в офисной зоне по звездообразной топологии. Промышленный Ethernet был разработан на основе этой базовой технологии. Однако для промышленного применения решающее значение имеют возможность передавать большие объемы данных и надежность в реальном времени. По этой причине были разработаны компоненты и протоколы, которые обеспечивают предсказуемое по времени поведение и механизмы резервирования для предотвращения сбоев. Поэтому передача данных не прерывается, а сбои и простои сводятся к минимуму. Промышленный Ethernet, как следует из названия, используется в промышленной зоне (на полевом уровне) и поэтому должен работать надежно даже в экстремальных условиях. Поэтому наши продукты для промышленного Ethernet не только выдерживают экстремальные температуры, пыль и влажность, но и устойчивы к химическим и физическим нагрузкам.
Какие преимущества перед Fieldbus?
Промышленный Ethernet используется в промышленной автоматизации всякий раз, когда функциональности полевых шин уже недостаточно. Важную роль здесь играет не только передача данных в реальном времени. Полученные данные в режиме реального времени обеспечивают надежную и безошибочную сетевую инфраструктуру на всех уровнях и в разных системах. Поэтому продукты PROFINET® предназначены для эффективной и быстрой передачи даже самых больших объемов данных. Связь без помех обеспечивается здесь через кольцевую топологию. Это означает, что сеть может продолжать работать как обычно, даже если произошел сбой коммутатора. Хотя диапазон адресов охватывает практически неограниченное количество участников, все участники сети также могут одновременно отправлять и получать большие объемы данных без коллизий или помех в каналах связи. Промышленный Ethernet может использоваться с различными компонентами, такими как медные кабели, оптоволокно или Wi-Fi. Передача по медному кабелю также покрывает большие расстояния без потери качества. Переключатели (свитчи) многократно усиливают сигналы, чтобы данные не терялись при передаче сигнала.
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.
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.
Как работают современные промышленные шины и протоколы
А что теперь? К сегодняшнему дню классическая идеология построения автоматизированных систем немного поменялась. Роль сыграли множество факторов, начиная с того, что автоматизировать тоже должно быть удобно, и заканчивая тенденцией на распределенные автоматизированные системы с удаленными друг от друга узлами.
Пожалуй, можно сказать, что основных концепций построения систем автоматизации на сегодняшний день две: локализованные и распределенные автоматизированные системы.
В случае с локализованными системами, где сбор данных и управление централизовано в одном конкретном месте, востребована концепция некоего набора модулей ввода-вывода, соединенных между собой общей быстрой шиной, включая контроллер со своим протоколом обмена. При этом, как правило, модули ввода-вывода включают в себя и преобразователь сигнала и гальваническую развязку (хотя, разумеется, не всегда). То есть конечному потребителю достаточно понять, какие типы датчиков и механизмов будут присутствовать в автоматизированной системе, сосчитать количество требуемых модулей ввода-вывода для разных типов сигналов и соединить их в одну общую линейку с контроллером. В этом случае, как правило, каждый производитель использует свой любимый протокол обмена между модулями ввода-вывода и контроллером, и вариантов тут может быть масса.
В случае распределенных систем справедливо все, что сказано в отношении локализованных систем, кроме этого, важно, чтобы отдельные компоненты, например, набор модулей ввода-вывода плюс устройство сбора и передачи информации — не очень умный контроллер, который стоит где-нибудь в будке в поле, рядом с краном, который перекрывает нефть, — могли взаимодействовать с такими же узлами и с главным контроллером на большом расстоянии с эффективной скоростью обмена.
Как разработчики выбирают протокол для своего проекта? Все современные протоколы обмена обеспечивают довольно высокое быстродействие, поэтому зачастую выбор того или иного производителя обусловлен не скоростью обмена по этой самой промышленной шине. Не так важна и реализация самого протокола, потому что, с точки зрения разработчика системы, это все равно будет черный ящик, который обеспечивает некую внутреннюю структуру обмена и не рассчитан на вмешательство извне. Чаще всего обращают внимание на практические характеристики: производительность вычислителя, удобство применения концепции производителя к поставленной задаче, наличие нужных типов модулей ввода-вывода, возможность горячей замены модулей без разрыва шины и т.д.
Популярные поставщики оборудования предлагают собственные реализации промышленных протоколов: например, всем известная компания Siemens разрабатывает свою серию протоколов Profinet и Profibus, компании B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Отечественное решение в этом списке примеров: версия протокола FBUS от российской компании Fastwel.
Есть и более универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. Мы подробно разберем эти протоколы в продолжении статьи и разберемся, какие из них лучше подходят для конкретных применений: автомобильной и аэрокосмической промышленности, производства электроники, систем позиционирования и робототехники. Оставайтесь на связи!
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.
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.
Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.
- PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
- PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.
Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:
- PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
- PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
- PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.
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.
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.
«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART
Мало кто знает, но на седьмой день создания мира Бог не отдыхал, а создавал Modbus. Наравне с HART-протоколом, Modbus, пожалуй, самый старый промышленный протокол передачи данных, он появился аж в 1979 году.
В качестве среды для передачи изначально использовался последовательный интерфейс, затем Modbus реализовали поверх TCP/IP. Это синхронный протокол по схеме «мастер-слейв» (главный-подчиненный), в котором используется принцип «запрос-ответ». Протокол довольно тяжеловесный и медленный, скорость обмена зависит от характеристик приемника и передатчика, но обычно счет идет чуть ли не на сотни миллисекунд, особенно в реализации через последовательный интерфейс.
Более того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что сразу же накладывает ограничения на передачу типов real и double. Они передаются либо по частям, либо с потерей точности. Хотя Modbus до сих пор повсеместно используется в случаях, когда не нужна высокая скорость обмена и потеря передаваемых данных не критична. Многие производители различных устройств любят расширять протокол Modbus своим исключительным и очень оригинальным образом, добавляя нестандартные функции. Поэтому данный протокол имеет множество мутаций и отклонений от нормы, но все же до сих пор успешно живет в современном мире.
Протокол HART тоже существует с восьмидесятых годов, это промышленный протокол обмена поверх двухпроводной линии токовой петли, в которую напрямую включаются датчики 4-20 мА и другие приборы с поддержкой протокола HART.
Для коммутации линий HART используются специальные устройства, так называемые HART-модемы. Также существуют преобразователи, которые на выходе предоставляют пользователю уже, допустим, протокол Modbus.
Примечателен HART, пожалуй, тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается и цифровой сигнал самого протокола, это позволяет соединить цифровую и аналоговую часть в одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут подключаться в USB-порт контроллера, соединяться по Bluetooth, либо же старинным способом через последовательный порт. Десяток лет назад по аналогии с Wi-Fi появился и беспроводной стандарт WirelessHART, работающий в диапазоне ISM.
Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME
На смену протоколам Modbus и HART пришли не совсем промышленные шины, такие как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), а также VME.
Настала эра вычислителей, имеющих в своем распоряжении универсальную шину передачи данных, куда можно подключать различные платы (модули) для обработки некоего унифицированного сигнала. Как правило, в этом случае процессорный модуль (вычислитель) вставляется в так называемый каркас, который обеспечивает взаимодействие по шине с другими устройствами. Каркас, или, как его любят называть трушные автоматизаторы, «крейт», дополняется необходимыми платами ввода-вывода: аналоговыми, дискретными, интерфейсными и т.д., либо все это слепливается в виде бутерброда без каркаса — одна плата над другой. После чего это многообразие на шине (ISA, PCI, etc.) обменивается данными с процессорным модулем, который таким образом получает информацию с датчиков и реализовывает некую логику.
Контроллер и модули ввода-вывода в каркасе PXI на шине PCI. Источник: National Instruments Corporation
Все бы ничего с этими шинами ISA, PCI(e) и VME, особенно для тех времен: и скорость обмена не огорчает, и расположены компоненты системы в едином каркасе, компактно и удобно, горячей замены плат ввода-вывода может и не быть, но пока еще и не очень хочется.
Но есть ложка дегтя, и не одна. Распределенную систему довольно сложно построить в такой конфигурации, шина обмена локальная, нужно что-то придумывать для обмена данными с другими подчиненными или равноправными узлами, тот же Modbus поверх TCP/IP или какой другой протокол, в общем, удобств маловато. Ну и вторая не очень приятная штука: платы ввода-вывода обычно ждут на вход какой-то унифицированный сигнал, и гальванической развязки с полевым оборудованием у них нет, поэтому нужно городить огород из различных модулей преобразования и промежуточной схемотехники, что сильно усложняет элементную базу.
Промежуточные модули преобразования сигнала с гальванической развязкой. Источник: DataForth Corporation
«А что с протоколом обмена по промышленной шине?» — спросите вы. А ничего. Нет его в такой реализации. По кабельным линиям сигнал попадает с датчиков на преобразователи сигналов, преобразователи выдают напряжение на дискретную или аналоговую плату ввода-вывода, а данные с платы уже читаются через порты ввода/вывода, средствами ОС. И никаких специализированных протоколов.
Читайте также: