profibus pa и profibus dp в чем разница
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.
Profibus pa и profibus dp в чем разница
Profibus. Краткий обзор.
В данном материале описываются основные термины и характеристики промышленной сети Profibus, а также правила и рекомендации, которые необходимы при проектировании.
Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну из лучших шин, предназначенных для систем управления многими технологическими процессами и интенсивной обработки информации. Наиболее часто используемый формат обмена сообщениями Profibus DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети); тем самым обеспечивается постоянный контроль состояния каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации). Каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт.
Основные характеристики:
Происхождение: правительственные органы Германии в сотрудничестве с производителями средств автоматизации, 1989 год.
Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаются множеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 и европейской электрической спецификации EN50170.
Разновидности: Profibus DP (главный/подчиненный), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина).
Коннекторы: 9-штырьковый разъем типа D-Shell (с оконечной нагрузкой импеданса) или 12- миллиметровый быстроразборный разъём IP67.
Максимальное число узлов: 127.
Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями).
Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 Мбит/с.
Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла.
Методы обмена сообщениями: опрос (DP/PA) и одноранговый (FMS).
Поддерживающая организация: Profibus Trade Organization консорциум производителей и пользователей продуктов в стандарте Profibus.
Термины:
Поддержка нескольких главных устройств
Протокол Profibus DP допускает наличие в системе нескольких главных устройств; каждое подчиненное устройство при этом выделяется лишь одному главному. Это означает, что читать данные с какого-либо устройства имеют право несколько главных устройств, однако записывать информацию в конкретное подчиненное устройство может лишь одно главное.
Одноранговые устройства
Протокол Profibus FMS это формат обмена информацией между одноранговыми устройствами, обеспечивающий взаимодействие главных устройств. Главными устройствами при необходимости могут быть все устройства, подключенные к шине. Данная шина отличается более высокими накладными расходами на передачу сообщений по сравнению с Profibus DP. Допускается совместное использование FMS и DP в рамках одной и той же сети (режим «COMBI»). В таком режиме, как правило, функционируют системы, в составе которых наряду с программируемыми контроллерами есть персональные компьютеры. Основное главное устройство взаимодействует со вспомогательным главным при помощи FMS, обмен с устройствами ввода/вывода осуществляется по той же сети посредством DP-сообщений.
Расширения Profibus DP V1
Старая спецификация FMS стала основой нового подхода: спецификация DP с расширениями V1, ориентированными на новые, более сложные устройства. Консорциум Profibus (Profibus Trade Organization) выпустил новую спецификацию, в которой многие функции Profibus FMS (поддержка нескольких главных устройств, одноранговый обмен) были объединены с Profibus DP (обмен по принципу «главный/подчиненный»), что обеспечило возможность оперативного конфигурирования устройства одновременно с передачей данных ввода/вывода. В прошлом одновременное применение FMS и DP также имело место, однако решаемые с помощью этих двух протоколов задачи были совершенно различны. Подобная интеграция позволяет технологии Profibus эффективно противостоять своим конкурентам с более развитыми возможностями: DeviceNet и Foundation Fieldbus.
Profibus DP V2 для управления перемещением
Последним расширением спецификации Profibus является вариант Profibus DP V2, включающий такие новые возможности, как:
1) функция синхронизации, позволяющая нескольким устройствам и осям перемещения зависеть от одного и того же генератора синхроимпульсов, и
2) обмен сообщениями по принципу «издатель/подписчик», позволяющий создавать связи между устройствами типа «один к одному» или «один ко многим». Тем самым обеспечивается согласованная работа синхронизированных осей перемещения.
Безопасность
Протокол Profibus PA практически идентичен последнему протоколу Profibus DP с диагностическими расширениями V1 за исключением более низких уровней напряжения и тока, соответствующих требованиям обеспечения внутренней безопасности (Класс I разд. II), принятых в обрабатывающей промышленности. Протокол Profibus PA поддерживается большинством плат главных устройств, однако использование данного протокола предполагает наличие развязывающих преобразователей между DP и PA (такие преобразователи поставляются целым рядом компаний). Питание PA-устройств от сети осуществляется с использованием напряжений и токов, гарантирующих внутреннюю безопасность.
Ведущие устройства класса 1 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 1 осуществляют управление циклическим обменом данными с ведомыми сетевыми устройствами. Помимо скоростного циклического обмена данными ведущие устройства класса 1 способны поддерживать асинхронный обмен. Асинхронный обмен используется для передачи параметров настройки или результатов измерений ведомых устройств и имеет более низкий приоритет по сравнению с циклическим обменом. Функции ведущих сетевых устройств класса 1 могут выполнять программируемые контроллеры SIMATIC S7-300/S7-400, системы автоматизации SIMATIC C7, промышленные компьютеры и т.д.
Ведущие устройства класса 2 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 2 (программаторы, компьютеры и т.д.) используются для программирования, конфигурирования, настройки параметров и диагностирования сетевых станций. Ведущие устройства этого класса способны считывать содержимое областей ввода вывода, диагностическую информацию, параметры настройки и другие данные сетевых станций. Ведущие устройства класса 2 способны поддерживать циклический и асинхронный обмен данными с ведомыми устройствами.
Ведомые устройства (Slave)
Ведомые устройства предназначены для организации связи с объектом управления. С их помощью производится сбор информации о текущем состоянии объекта управления, а также формируются необходимые управляющие воздействия. В каждом цикле обмена данными с ведущим сетевым устройством ведомые устройства способны передавать или принимать до 244 байт.
Среда передачи
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из следующих сред:
• Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)
• Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS–PA)
• Волоконно-оптический кабель
• Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в случае необходимости, объединяться между собой.
Маркерное кольцо/Ведущий–Ведомый 
• Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел «знает» другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных узлов на шине).
• Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.
• Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
• Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения «ведущее устройство-ведомое устройство»), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).
• Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы
Методы передачи RS-485
Преимущества:
• Гибкая шинная или древовидная топология с повторителями, шинными терминалами и шинными штекерами для подключения узлов PROFIBUS
• Исключительно пассивная передача сигналов, которая обеспечивает отключение узлов без оказания влияния на сеть (за исключением узлов, питающих нагрузочные сопротивления)
• Простота прокладки и подключения шинного кабеля, не требующая специального опыта.
Ограничения:
• Охватываемое расстояние снижается при увеличении скорости передачи
• При наружной установке требуются дополнительные меры по молниезащите
По волоконно-оптическому каналу
Преимущества:
• Независимо от скорости передачи, достигаются большие расстояния между двумя терминалами передачи данных (ТПД) (расстояния между двумя модулями OLM достигают до 15 км)
• Узлы и среда передачи данных электрически развязаны между собой
• При соединении компонентов, имеющих разные потенциалы относительно земли, отсутствуют токи экрана
• Отсутствие электромагнитных помех
• Не требуются дополнительные средства молниезащиты
• Простота прокладки волоконно-оптических кабелей
• Высокая надёжность ЛВС благодаря использованию кольцевой топологии
• Чрезвычайно простая техника подключения при использовании пластиковых волоконно- оптических кабелей на коротких дистанциях.
Ограничения:
• Общее время передачи пакета увеличено по сравнению с сетями на витой паре
• Для монтажа стеклянных волоконно-оптических кабелей к штекерам требуется специальный опыт и инструменты
• Отсутствие питания в точках сочленения (в приспособлениях для подключения узлов, в OLM, или в OBT) приводит к прерыванию передачи сигнала
Технология беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне
Преимущества:
• Высокая мобильность подключенных компонентов производственного участка (например, тележек)
• Отсутствие износа при подключении и отключении в сетях с фиксированными компонентами
• Объединение узлов без монтажа кабеля (временное подключение, подключение к труднодоступным участкам)
• Не зависит от протокола
• Электрическая развязка между узлами и проводной сетью
Ограничения:
• Скорость передачи
