Цифровые протоколы передачи данных в промышленной автоматизации
Цифровые протоколы передачи данных - это соглашения о том, как передавать и принимать информацию между различными устройствами, такими как датчики, контроллеры, компьютеры и т.д. Они определяют формат, скорость, кодировку и контроль ошибок данных.
Они позволяют координировать работу датчиков, контроллеров, исполнительных механизмов и другого оборудования, а также передавать данные на вышестоящие уровни управления и мониторинга.
Они позволяют координировать работу датчиков, контроллеров, исполнительных механизмов и другого оборудования, а также передавать данные на вышестоящие уровни управления и мониторинга.
Существует множество различных протоколов, которые отличаются по скорости, надежности, стоимости, сложности и другим параметрам.
Некоторые из них являются открытыми стандартами, другие - закрытыми или проприетарными. Некоторые из них работают по проводным каналам связи, другие - по беспроводным. Некоторые из них поддерживают передачу данных в режиме реального времени, другие - нет.
Цифровые протоколы передачи данных в промышленной автоматизации можно классифицировать по разным критериям, таким как физический уровень (например, проводной или беспроводной), тип топологии (например, шина, звезда или кольцо), тип передачи (например, синхронная или асинхронная), тип модуляции (например, амплитудная или частотная), тип кодирования (например, бинарный или ASCII) и т.д.
Наиболее распространенные цифровые протоколов передачи данных в промышленной автоматизации: Ethernet, Modbus, Profibus, Profinet, EtherCAT, CAN, DeviceNet, AS-Interface, Foundation Fieldbus, HART, P-NET, IO-Link, CC-Link, DF-1, Interbus, HostLink, Data Highway (DH+), Actual Sensor Interface (ASI).
Некоторые из этих протоколов являются стандартными, а некоторые специфичны для определенных производителей или отраслей. Давайте рассмотрим из подробнее.
Некоторые из них являются открытыми стандартами, другие - закрытыми или проприетарными. Некоторые из них работают по проводным каналам связи, другие - по беспроводным. Некоторые из них поддерживают передачу данных в режиме реального времени, другие - нет.
Цифровые протоколы передачи данных в промышленной автоматизации можно классифицировать по разным критериям, таким как физический уровень (например, проводной или беспроводной), тип топологии (например, шина, звезда или кольцо), тип передачи (например, синхронная или асинхронная), тип модуляции (например, амплитудная или частотная), тип кодирования (например, бинарный или ASCII) и т.д.
Наиболее распространенные цифровые протоколов передачи данных в промышленной автоматизации: Ethernet, Modbus, Profibus, Profinet, EtherCAT, CAN, DeviceNet, AS-Interface, Foundation Fieldbus, HART, P-NET, IO-Link, CC-Link, DF-1, Interbus, HostLink, Data Highway (DH+), Actual Sensor Interface (ASI).
Некоторые из этих протоколов являются стандартными, а некоторые специфичны для определенных производителей или отраслей. Давайте рассмотрим из подробнее.
Ethernet - это самый распространенный стандарт локальных сетей, разработанный в 1973 году компанией Xerox. Он использует коаксиальный кабель, витую пару или оптоволокно для передачи данных по технологии CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Ethernet поддерживает различные типы данных, в зависимости от протокола верхнего уровня.
Преимуществами Ethernet являются его универсальность, совместимость, масштабируемость и низкая стоимость. Недостатками - ограниченная дальность передачи (до 100 м), низкая скорость (до 10 Мбит/с) и высокая вероятность коллизий.
Industrial Ethernet - это обобщенное название для семейства протоколов, основанных на стандарте Ethernet. Это адаптация стандартного протокола Ethernet для промышленных нужд. Они используют те же физические среды и сетевые устройства, что и обычный Ethernet, но добавляют специальные механизмы для повышения производительности, надежности и реального времени передачи данных на высоком уровне.
Industrial Ethernet поддерживает различные варианты протоколов, такие как EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP и т.д. Они имеют разные характеристики по скорости, расстоянию, количеству узлов и типам данных.
EtherCAT - это специализированный протокол для промышленной автоматизации, основанный на Ethernet, разработанный в 2003 году компанией Beckhoff Automation. Он использует стандартный Ethernet кабель для передачи данных по технологии Master-Slave. EtherCAT поддерживает различные типы данных, в зависимости от протокола верхнего уровня.
Преимуществами EtherCAT являются его сверхвысокая скорость (до 100 Мбит/с), синхронизация всех устройств в сети (до 1 нс), минимальное потребление ресурсов и простота настройки. Недостатками - высокая стоимость оборудования, необходимость специальных контроллеров и ограниченная совместимость с другими протоколами.
Profinet - это новейший протокол, основанный на стандарте Ethernet, разработанный в 2003 году организацией Profibus International. Он использует стандартные сетевые кабели и коммутаторы для передачи данных по технологии Real-Time Ethernet. Profinet поддерживает четыре типа данных: биты, байты, блоки и файлы.
Преимуществами Profinet являются его высочайшая скорость (до 100 Мбит/с), большая дальность передачи (до 100 км), интеграция с другими протоколами Ethernet (TCP/IP, UDP, HTTP, FTP и т.д.), поддержка беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth) и высокий уровень безопасности. Недостатками - высокая стоимость оборудования, требовательность к качеству кабелей и сложность отладки.
Profibus - это один из наиболее популярных протоколов в Европе, разработанный в 1989 году группой производителей автоматизированного оборудования. Он использует двухпроводную линию для передачи данных по технологии Master-Slave или Peer-to-Peer. Profibus поддерживает три типа данных: биты, байты и блоки.
Преимуществами Profibus являются его высокая скорость (до 12 Мбит/с), большое количество устройств в сети (до 126), гибкость конфигурации и высокий уровень диагностики. Недостатками - сложность настройки, высокая стоимость кабелей и компонентов и несовместимость с другими протоколами.
Modbus - это один из самых старых и простых протоколов, разработанный в 1979 году компанией Modicon для связи между контроллерами и периферийными устройствами. Он использует серийную линию (RS-232, RS-485) или TCP/IP для передачи данных в виде запросов и ответов. Modbus поддерживает два типа данных: дискретные (биты) и регистры (слова).
Преимуществами Modbus являются его надежность, универсальность, открытость и низкая стоимость. Недостатками - ограниченная пропускная способность, отсутствие стандартизации физического уровня и низкий уровень безопасности.
CAN (Controller Area Network) - это высокоскоростной протокол, предназначенный для связи между микроконтроллерами в автомобильных и промышленных системах. Он обеспечивает высокую надежность, устойчивость к помехам и низкое потребление энергии. CAN поддерживает различные топологии сети, такие как шина, звезда или кольцо, и может работать с разными скоростями передачи данных от 10 Кбит/с до 1 Мбит/с.
DeviceNet - это протокол, основанный на технологии CAN. Он предназначен для связи низкоуровневых устройств, таких как датчики и клапаны. Он поддерживает до 64 устройств на одной сети и имеет скорость передачи до 500 кбит/с.
AS-Interface (Actuator Sensor Interface) - это простой и недорогой протокол для подключения двоичных или аналоговых устройств к высшему уровню автоматизации. Этот протокол был разработан в начале 1990-х годов группой компаний, специализирующихся на производстве промышленных датчиков. Он является открытым стандартом, совместимым с различными высокоуровневыми протоколами, такими как Profibus, DeviceNet, Ethernet и другие.
AS-Interface использует двухпроводный плоский кабель для передачи данных и энергии между устройствами, позволяя сократить затраты и время на монтаж и обслуживание сети. AS-Interface поддерживает до 62 устройств ввода-вывода, каждое из которых может передавать по 4 бита данных, а также аналоговые сигналы и функции безопасности. Он поддерживает до 31 устройств на одной сети и имеет скорость передачи 167 кбит/с.
Foundation Fieldbus - это протокол полевой шины, который позволяет интегрировать различные типы полевых устройств, таких как датчики, клапаны, насосы и т.д., в единую сеть. Он поддерживает два типа коммуникации: H1 для низкоскоростной связи (31,25 Кбит/с) и HSE (High Speed Ethernet) для высокоскоростной связи (100 Мбит/с).
Foundation Fieldbus обладает рядом преимуществ, таких как возможность передавать аналоговые и цифровые сигналы по одному кабелю, возможность реализации распределенного управления и контроля, а также возможность диагностики и конфигурации полевых устройств.
Преимуществами Ethernet являются его универсальность, совместимость, масштабируемость и низкая стоимость. Недостатками - ограниченная дальность передачи (до 100 м), низкая скорость (до 10 Мбит/с) и высокая вероятность коллизий.
Industrial Ethernet - это обобщенное название для семейства протоколов, основанных на стандарте Ethernet. Это адаптация стандартного протокола Ethernet для промышленных нужд. Они используют те же физические среды и сетевые устройства, что и обычный Ethernet, но добавляют специальные механизмы для повышения производительности, надежности и реального времени передачи данных на высоком уровне.
Industrial Ethernet поддерживает различные варианты протоколов, такие как EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP и т.д. Они имеют разные характеристики по скорости, расстоянию, количеству узлов и типам данных.
EtherCAT - это специализированный протокол для промышленной автоматизации, основанный на Ethernet, разработанный в 2003 году компанией Beckhoff Automation. Он использует стандартный Ethernet кабель для передачи данных по технологии Master-Slave. EtherCAT поддерживает различные типы данных, в зависимости от протокола верхнего уровня.
Преимуществами EtherCAT являются его сверхвысокая скорость (до 100 Мбит/с), синхронизация всех устройств в сети (до 1 нс), минимальное потребление ресурсов и простота настройки. Недостатками - высокая стоимость оборудования, необходимость специальных контроллеров и ограниченная совместимость с другими протоколами.
Profinet - это новейший протокол, основанный на стандарте Ethernet, разработанный в 2003 году организацией Profibus International. Он использует стандартные сетевые кабели и коммутаторы для передачи данных по технологии Real-Time Ethernet. Profinet поддерживает четыре типа данных: биты, байты, блоки и файлы.
Преимуществами Profinet являются его высочайшая скорость (до 100 Мбит/с), большая дальность передачи (до 100 км), интеграция с другими протоколами Ethernet (TCP/IP, UDP, HTTP, FTP и т.д.), поддержка беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth) и высокий уровень безопасности. Недостатками - высокая стоимость оборудования, требовательность к качеству кабелей и сложность отладки.
Profibus - это один из наиболее популярных протоколов в Европе, разработанный в 1989 году группой производителей автоматизированного оборудования. Он использует двухпроводную линию для передачи данных по технологии Master-Slave или Peer-to-Peer. Profibus поддерживает три типа данных: биты, байты и блоки.
Преимуществами Profibus являются его высокая скорость (до 12 Мбит/с), большое количество устройств в сети (до 126), гибкость конфигурации и высокий уровень диагностики. Недостатками - сложность настройки, высокая стоимость кабелей и компонентов и несовместимость с другими протоколами.
Modbus - это один из самых старых и простых протоколов, разработанный в 1979 году компанией Modicon для связи между контроллерами и периферийными устройствами. Он использует серийную линию (RS-232, RS-485) или TCP/IP для передачи данных в виде запросов и ответов. Modbus поддерживает два типа данных: дискретные (биты) и регистры (слова).
Преимуществами Modbus являются его надежность, универсальность, открытость и низкая стоимость. Недостатками - ограниченная пропускная способность, отсутствие стандартизации физического уровня и низкий уровень безопасности.
CAN (Controller Area Network) - это высокоскоростной протокол, предназначенный для связи между микроконтроллерами в автомобильных и промышленных системах. Он обеспечивает высокую надежность, устойчивость к помехам и низкое потребление энергии. CAN поддерживает различные топологии сети, такие как шина, звезда или кольцо, и может работать с разными скоростями передачи данных от 10 Кбит/с до 1 Мбит/с.
DeviceNet - это протокол, основанный на технологии CAN. Он предназначен для связи низкоуровневых устройств, таких как датчики и клапаны. Он поддерживает до 64 устройств на одной сети и имеет скорость передачи до 500 кбит/с.
AS-Interface (Actuator Sensor Interface) - это простой и недорогой протокол для подключения двоичных или аналоговых устройств к высшему уровню автоматизации. Этот протокол был разработан в начале 1990-х годов группой компаний, специализирующихся на производстве промышленных датчиков. Он является открытым стандартом, совместимым с различными высокоуровневыми протоколами, такими как Profibus, DeviceNet, Ethernet и другие.
AS-Interface использует двухпроводный плоский кабель для передачи данных и энергии между устройствами, позволяя сократить затраты и время на монтаж и обслуживание сети. AS-Interface поддерживает до 62 устройств ввода-вывода, каждое из которых может передавать по 4 бита данных, а также аналоговые сигналы и функции безопасности. Он поддерживает до 31 устройств на одной сети и имеет скорость передачи 167 кбит/с.
Foundation Fieldbus - это протокол полевой шины, который позволяет интегрировать различные типы полевых устройств, таких как датчики, клапаны, насосы и т.д., в единую сеть. Он поддерживает два типа коммуникации: H1 для низкоскоростной связи (31,25 Кбит/с) и HSE (High Speed Ethernet) для высокоскоростной связи (100 Мбит/с).
Foundation Fieldbus обладает рядом преимуществ, таких как возможность передавать аналоговые и цифровые сигналы по одному кабелю, возможность реализации распределенного управления и контроля, а также возможность диагностики и конфигурации полевых устройств.
HART (Highway Addressable Remote Transducer) - это гибридный протокол, который комбинирует аналоговый сигнал 4-20 мА с цифровой модуляцией FSK (Frequency Shift Keying). Он позволяет передавать дополнительную информацию о состоянии и параметрах полевых устройств по тому же кабелю, что и аналоговый сигнал.
HART может работать в двух режимах: точка-точка или многоточечный. В режиме точка-точка одно полевое устройство связывается с одним контроллером или системой управления. В многоточечном режиме несколько полевых устройств связываются с одним контроллером или системой управления через HART-мультиплексор.
P-NET (Process Field Network) - это протокол, разработанный для связи между интеллектуальными полевыми устройствами в промышленных системах. Он поддерживает различные топологии сети, такие как шина, дерево или кольцо, и может работать с разными физическими средами, такими как витая пара, оптоволокно или радиоканал.
P-NET обеспечивает высокую гибкость, надежность и производительность. Он позволяет передавать аналоговые и цифровые сигналы, а также сложные типы данных, такие как строки, массивы или структуры. P-NET может работать с разными скоростями передачи данных от 9,6 Кбит/с до 1,5 Мбит/с.
IO-Link - это открытый стандарт для точечной связи между датчиками или актуаторами и контроллером. Он позволяет передавать не только процессные данные, но и параметры и диагностическую информацию. Он использует трехпроводную линию для передачи данных и питания. Он поддерживает до 4 устройств на одном порту и имеет скорость передачи до 230 кбит/с.
CC-Link - это японский стандарт для связи между контроллерами и устройствами ввода-вывода. Он имеет две версии: CC-Link IE (Industrial Ethernet) и CC-Link (Fieldbus). CC-Link IE использует оптоволоконную линию для передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с. CC-Link использует коаксиальный кабель или витую пару для передачи данных со скоростью до 10 Мбит/с.
DF-1 - это протокол, разработанный компанией Allen-Bradley для связи между ее программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и другими устройствами, такими как терминалы оператора, панели управления, модемы и т.д. Он использует последовательный интерфейс RS-232 и работает на скорости до 19,2 кбит/с. DF-1 поддерживает различные режимы работы, такие как полудуплексный, полнодуплексный, многоточечный и т.д.
Data Highway (DH+) - еще один протокол, разработанный компанией Allen-Bradley для связи между ее ПЛК и другими устройствами, такими как персональные компьютеры, панели управления, модемы и т.д. Он использует коаксиальный кабель или витую пару и работает на скорости до 230,4 кбит/с. DH+ поддерживает до 64 устройств на одной линии и может передавать до 4096 байт данных за один цикл.
Interbus - это протокол, разработанный компанией Phoenix Contact для связи между ПЛК и периферийными устройствами, такими как датчики, клапаны, электроприводы и т.д. Он использует двухпроводную линию и работает на скорости до 500 кбит/с. Interbus поддерживает до 256 устройств на одной линии и может передавать до 512 байт данных за один цикл.
HostLink - это протокол, разработанный компанией Omron для связи между ее ПЛК и другими устройствами, такими как персональные компьютеры, терминалы оператора, модемы и т.д. Он использует последовательный интерфейс RS-232 или RS-422 и работает на скорости до 115,2 кбит/с. HostLink поддерживает различные форматы сообщений, такие как ASCII, бинарный, шестнадцатеричный и т.д.
Выбор цифрового протокола передачи данных зависит от многих факторов, таких как тип и количество устройств, требования к скорости и надежности передачи данных, стоимость и доступность оборудования и программного обеспечения. Каждый протокол имеет свои достоинства и недостатки, поэтому необходимо тщательно анализировать потребности и условия конкретного проекта промышленной автоматизации.
HART может работать в двух режимах: точка-точка или многоточечный. В режиме точка-точка одно полевое устройство связывается с одним контроллером или системой управления. В многоточечном режиме несколько полевых устройств связываются с одним контроллером или системой управления через HART-мультиплексор.
P-NET (Process Field Network) - это протокол, разработанный для связи между интеллектуальными полевыми устройствами в промышленных системах. Он поддерживает различные топологии сети, такие как шина, дерево или кольцо, и может работать с разными физическими средами, такими как витая пара, оптоволокно или радиоканал.
P-NET обеспечивает высокую гибкость, надежность и производительность. Он позволяет передавать аналоговые и цифровые сигналы, а также сложные типы данных, такие как строки, массивы или структуры. P-NET может работать с разными скоростями передачи данных от 9,6 Кбит/с до 1,5 Мбит/с.
IO-Link - это открытый стандарт для точечной связи между датчиками или актуаторами и контроллером. Он позволяет передавать не только процессные данные, но и параметры и диагностическую информацию. Он использует трехпроводную линию для передачи данных и питания. Он поддерживает до 4 устройств на одном порту и имеет скорость передачи до 230 кбит/с.
CC-Link - это японский стандарт для связи между контроллерами и устройствами ввода-вывода. Он имеет две версии: CC-Link IE (Industrial Ethernet) и CC-Link (Fieldbus). CC-Link IE использует оптоволоконную линию для передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с. CC-Link использует коаксиальный кабель или витую пару для передачи данных со скоростью до 10 Мбит/с.
DF-1 - это протокол, разработанный компанией Allen-Bradley для связи между ее программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и другими устройствами, такими как терминалы оператора, панели управления, модемы и т.д. Он использует последовательный интерфейс RS-232 и работает на скорости до 19,2 кбит/с. DF-1 поддерживает различные режимы работы, такие как полудуплексный, полнодуплексный, многоточечный и т.д.
Data Highway (DH+) - еще один протокол, разработанный компанией Allen-Bradley для связи между ее ПЛК и другими устройствами, такими как персональные компьютеры, панели управления, модемы и т.д. Он использует коаксиальный кабель или витую пару и работает на скорости до 230,4 кбит/с. DH+ поддерживает до 64 устройств на одной линии и может передавать до 4096 байт данных за один цикл.
Interbus - это протокол, разработанный компанией Phoenix Contact для связи между ПЛК и периферийными устройствами, такими как датчики, клапаны, электроприводы и т.д. Он использует двухпроводную линию и работает на скорости до 500 кбит/с. Interbus поддерживает до 256 устройств на одной линии и может передавать до 512 байт данных за один цикл.
HostLink - это протокол, разработанный компанией Omron для связи между ее ПЛК и другими устройствами, такими как персональные компьютеры, терминалы оператора, модемы и т.д. Он использует последовательный интерфейс RS-232 или RS-422 и работает на скорости до 115,2 кбит/с. HostLink поддерживает различные форматы сообщений, такие как ASCII, бинарный, шестнадцатеричный и т.д.
Выбор цифрового протокола передачи данных зависит от многих факторов, таких как тип и количество устройств, требования к скорости и надежности передачи данных, стоимость и доступность оборудования и программного обеспечения. Каждый протокол имеет свои достоинства и недостатки, поэтому необходимо тщательно анализировать потребности и условия конкретного проекта промышленной автоматизации.