Ištakos ir poreikis tikslioms komunikacijoms
XXI amžiaus pradžioje, vystantis pramonės automatikai, kilo didelis poreikis tiksliems pramoniniams komunikacijos protokolams. Standartinis Ethernet, nors ir efektyvus biuro ir komerciniuose tinkluose, pramoninėse aplinkose negalėjo užtikrinti laiku perduodamų duomenų, kas yra kritiškai svarbu realaus laiko sistemoms. Šis trūkumas paskatino sukurti sistemą, kuri galėtų atitikti sudėtingų pramoninės automatikos sistemų griežtus laiko reikalavimus. Taip atsirado Ethernet POWERLINK - protokolas, sukurtas remiantis standartiniu Ethernet IEEE 802.3, bet pritaikytas realaus laiko poreikiams pramoninėje aplinkoje. Šį protokolą 2001 m. pristatė kompanija B&R, o nuo 2003 m. birželio jį prižiūri Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) - nepriklausoma asociacija, skirta jo plėtrai.
Ethernet POWERLINK siūlo du variantus, atitinkančius šiuolaikinius valdymo poreikius. Originalus variantas, Ethernet POWERLINK Standard (EPL), sukurtas Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG), pasižymi tiksliu realaus laiko ryšiu, užtikrinančiu precizišką laiko sinchronizavimą tarp automatikos komponentų. Perėjimas prie deterministinių protokolų, tokių kaip Ethernet POWERLINK, žymi svarbų pramoninės automatikos pažangos etapą, leidžiantį sukurti patikimesnes ir efektyvesnes valdymo sistemas. Pagrindinė Ethernet POWERLINK esmė - gebėjimas užtikrinti tikslų laiko valdymą ir patikimą duomenų perdavimą, kas yra būtina taikant didelio tikslumo ir prognozuojamumo reikalaujančias programas. Be to, Ethernet POWERLINK tinklai yra sukurti sklandžiai integruoti visus automatikos komponentus, įskaitant PLC, jutiklius, I/O modulius, judesio valdiklius, saugos sistemas ir HMI.
Master-Slave modelis ir jo vaidmuo
Ethernet POWERLINK veikia pagal Master-Slave (valdytojo-pavaldinio) modelį. Šis modelis yra esminis darniam ir efektyviam duomenų mainams įvairiose automatikos aplinkose. Sistemos centre yra Valdantysis Mazgas (Managing Node, MN), kuris gali būti programuojamas loginis valdiklis (PLC) arba pramoninis kompiuteris. Šis centrinis elementas atlieka kritinę rolę inicijuojant ir koordinuojant komunikaciją tinkle. Jis tiksliai nustato duomenų mainų laiką ir seką, prižiūri tinklo konfigūraciją ir užtikrina visų pavaldinių mazgų sinchronizavimą, kad būtų galima sklandžiai vykdyti pramoninius procesus. Valdytojui talkina pavaldiniai mazgai (Controlled Nodes, CN). Šie įrenginiai paklūsta valdytojo komandoms, kiekvienas atlikdamas specifinę funkciją tinkle - ar tai būtų variklio valdymas, jutiklio stebėjimas ar aktuatoriaus veikimas. Pavaldiniai mazgai yra atsakingi už duomenų perdavimą atgal valdytojui, reaguodami į jo užklausas arba tam tikrais iš anksto nustatytais intervalais komunikacijos ciklo metu. Jie stropiai vykdo valdytojo perduotas komandas ir teikia reikiamus būsenos atnaujinimus ar grįžtamąjį ryšį, taip palaikydami tinklo veikimo vientisumą.
Komunikacijos tipai: ciklinė ir aciklinė
Ethernet POWERLINK tinklai naudoja tiek ciklinę, tiek aciklinę komunikaciją, kad patenkintų įvairius pramoninės automatikos ir valdymo sistemų poreikius.
Ciklinė komunikacija yra esminė realaus laiko I/O duomenų perdavimui tarp valdymo mazgų (pvz., PLC ar pramoninių kompiuterių) ir tinklo įrenginių. Šis procesas tiksliai valdomas per seką, kurios metu valdymo mazgas išsiunčia "Start of Cycle" (SoC) žinutę visiems įrenginiams, užtikrindamas jų laiko sinchronizavimą nustatytų ciklų ribose. Šio sinchronizavimo tikslumas yra gyvybiškai svarbus, nes jis leidžia sklandžiai vykdyti užduotis aplinkose, kur laikas yra itin svarbus.
Aciklinė komunikacija daugiausia naudojama informacijos perdavimui tarp "Scanners" (valdiklio pusės įrenginių) ir "Adapter" įrenginių (tipiškai I/O tipo įrenginių). Ji naudojama ne laiko kritinei informacijai, tokiai kaip parametrai ar diagnostikos duomenys, perduoti tarp valdiklių ir įrenginių. Ši komunikacija vyksta ne reguliarių cikliškų mainų metu, suteikdama lankstumo valdant mažiau skubius duomenis, netrikdant realaus laiko informacijos deterministinio srauto.
Tinklo architektūros lankstumas ir paprastumas
Ethernet POWERLINK siūlo išskirtinai lanksčią tinklo architektūrą, leidžiančią vartotojams rinktis iš įvairių topologijų, įskaitant žvaigždės, medžio, grandinės, žiedo arba jų derinius. Šis tinklo struktūros lankstumas reiškia, kad Ethernet POWERLINK gali sklandžiai prisitaikyti prie specifinių įvairių pramoninių aplinkų poreikių, nereikalaujant sudėtingos konfigūracijos. Ethernet POWERLINK užtikrina naudojimo paprastumą dėl tiesioginio pajungimo ir galimybės pritaikyti lanksčias topologijas, tokias kaip linijinės, medžio ar žvaigždės struktūros. Šis lankstumas ypač naudingas mašinų ir gamyklų gamintojams, kurie gali integruoti POWERLINK tinklus be reikšmingų tinklų žinių. Be to, Ethernet POWERLINK infrastruktūra leidžia integruoti realaus laiko Ethernet komunikaciją, todėl ji tinkama taikymams, kuriems reikalingas tikslus laiko valdymas ir sinchronizacija.
Protokolo struktūra ir kokybės užtikrinimas
Protokolo pagrindą sudaro unikalus kadrų formatas, kruopščiai suskirstytas į antraštės, duomenų ir pabaigos dalis. Šios dalys specialiai sukurtos apimti adresavimo, sinchronizavimo ir klaidų aptikimo laukus. Adresavimo mechanizmas užtikrina, kad duomenų paketai pasiektų numatytus gavėjus, o sinchronizavimo funkcijos garantuoja didelio tikslumo laiko valdymą visuose tinklo įrenginiuose. Be to, Ethernet POWERLINK integruoja "Quality of Service" (QoS) mechanizmus, kad prioritetizuotų kritinį srautą tinkle. Šis prioritetizavimas yra būtinas siekiant užtikrinti laiku perduodamus valdymo duomenis, ypač situacijose, kai tinklo ištekliai yra riboti. QoS veikia žymint paketus, kad būtų galima identifikuoti paslaugų tipus, tada konfigūruojant maršrutizatorius atskiriems virtualiems eilėms kiekvienai programai, atsižvelgiant į jų prioritetą.
Ekonominis efektyvumas ir techninės detalės
Šis charakteristikų derinys žymiai sumažina bendras išlaidas, todėl EPL tampa patraukliu pasirinkimu daugeliui automatikos ir pramonės taikymų. Vienas iš pagrindinių EPL taupymo privalumų yra esamos Ethernet techninės įrangos naudojimas, o tai reiškia, kad sistema yra nebrangi, atsižvelgiant į jos našumą. Naudojant esamą Ethernet infrastruktūrą, įmonės gali išvengti didelių išlaidų, susijusių su patentuotos techninės įrangos pirkimu. Ethernet POWERLINK naudoja šiuos techninės ir programinės įrangos komponentus savo tikslams pasiekti:
Techninės įrangos komponentai:
- Ethernet POWERLINK Hub'ai: Pramoninės klasės Hub'ai yra svarbūs Ethernet POWERLINK tinkluose, užtikrinantys didelės spartos duomenų perdavimą, deterministinį veikimą ir laiko kritinės komunikacijos palaikymą. Jie sukurti atlaikyti ekstremalias aplinkos sąlygas, įskaitant plačius temperatūros diapazonus nuo -40°C iki 75°C, taip pat vibracijas ir smūgius, garantuodami patikimą veikimą atšiauriomis pramoninėmis sąlygomis.
- Tinklo sąsajos: Komunikacijai Ethernet POWERLINK tinkluose, tarp valdymo vienetų ir lauko įrenginių, šiems komponentams reikia patikimų komunikacijos sąsajų.
Ethernet POWERLINK XP
Pagrindiniai Ethernet POWERLINK privalumai
Ethernet POWERLINK siūlo keletą pranašumų pramoninėse komunikacijose, todėl yra geras pasirinkimas realaus laiko valdymo ir stebėjimo taikymams. Kai kurie iš pagrindinių privalumų apima:
- Deterministinis realaus laiko ryšys: Su tiksliu laiko valdymu ir duomenų mainų sinchronizavimu. Šis deterministinis pobūdis užtikrina, kad įvykiai ar žinutės būtų perduodamos per nustatytą, prognozuojamą laikotarpį, kas yra gyvybiškai svarbu palaikant proceso stabilumą ir efektyvumą pramoninėse aplinkose.
- Didelės spartos duomenų perdavimas: Palengvina greitą valdymo duomenų, jutiklių rodmenų ir būsenos informacijos mainus tarp įrenginių. Ši galimybė padeda greitai priimti sprendimus.
- Mastelis ir lankstumas: Leidžia lanksčiai plėsti ir integruoti naujus įrenginius pagal poreikį. Ethernet POWERLINK palaiko tinklo topologijas, tokias kaip žvaigždė, medis, grandinė, žiedas arba jų derinys. Šis pritaikomumas atitinka kintančius automatizavimo poreikius ir optimizuoja išteklių naudojimą, užtikrinant redundanciją ir atsparumą gedimams.
- Suderinamumas ir standartizacija: Atitinka pramonės standartus ir specifikacijas, siekiant užtikrinti suderinamumą su plačiu įvairių gamintojų įrenginių ir įrangos spektru. Ši standartizacija supaprastina Ethernet POWERLINK tinklų diegimą pramoninėse aplinkose, skatinant sklandžią integraciją.
- Ekonomiškas: Naudoja esamą techninę įrangą ir infrastruktūrą, taip sumažinant poreikį specializuotai įrangai ir mažinant diegimo bei priežiūros išlaidas.
- Pažangios diagnostikos ir stebėjimo galimybės: Efektyviai valdo tinklo srautą, skirdama specialius laiko tarpus "Isochronous" ir "Asynchronous" POWERLINK duomenims, taip užtikrinant optimalų našumą ir palengvinant tinklo diagnostiką.
Pramonės pritaikymas ir konkretūs atvejai
Ethernet POWERLINK tapo svarbia technologija įvairiose sektoriuose, ypač pramoninėse komunikacijose, gamyboje, automatikoje ir gamyklose. Jo taikymo sritys apima pramoninės automatikos sistemų gerinimą, judesio valdymą ir staklių operacijas, pabrėžiant jo universalumą ir kritinę rolę šiuolaikinėje pramonėje.
Pramoninės automatikos srityje Ethernet POWERLINK atlieka svarbų vaidmenį, leidžiant realaus laiko gamybos procesų valdymą ir stebėjimą. Sklandi integracija su PLC, HMI, jutikliais, aktuatoriais ir robotais supaprastina gamybos procesus ir didina bendrą produktyvumą. Koordinavimo ir sinchronizavimo tikslumas yra nepakeičiamas palaikant efektyvias gamybos linijas.
Kalbant apie judesio valdymą gamybos ir automatizavimo pramonėje, Ethernet POWERLINK išsiskiria savo gebėjimu užtikrinti aukštos kokybės judesio valdymo taikymus. Jis palengvina sinchronizuotą variklių, servo pavarų ir kitų judesio įrenginių valdymą, kas yra būtina siekiant tikslaus padėties, greičio valdymo ir trajektorijos planavimo robotų sistemose ir gamybos linijose.
Staklėms, tokioms kaip CNC staklės, Ethernet POWERLINK leidžia tiksliai ir greitai valdyti pjovimo, frezavimo ir apdirbimo operacijas.
Hilscher's multiprotocol-capable netX komunikacijos valdikliai ir jų pagrindu sukurti įterptiniai moduliai bei PC kortelės tarnauja kaip lankstūs ir galingi komunikacijos sąsajos šiuolaikiniams pramoniniams komunikacijos tinklams. Tiesiog įkėlus specifinę netX programinę-aparatinę įrangą, komponentai gali būti integruoti į visus įprastus "Fieldbus" ar "Real-Time Ethernet" tinklus. Be Ethernet POWERLINK, jie taip pat palaiko tokius standartus ir technologijas kaip PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, Modbus ar DeviceNet. Tai reiškia, kad naudojant tą pačią techninę įrangą galima pritaikyti daugybę skirtingų protokolų, o tai pagreitina integracijos procesą ir sumažina išlaidas. Hilscher taip pat siūlo daugybę kitų komponentų pramoniniams komunikacijos tinklams.
ABB pavaros palaiko plačią lauko magistralių ir pramoninių Ethernet sistemų įvairovę rinkoje, ir visus pagrindinius protokolus, suteikdamos reikiamą lankstumą, suderinamumą ir saugumą. Nes visi ABB pavaros turi vienodą išvaizdą ir pojūtį, lengva pereiti nuo vieno pavaros tipo prie kito. Vienos vielos perdavimo linija naudojama pavarų valdymui, stebėjimui, paleidimui ir trikčių šalinimui per vieną Ethernet kabelį. ABB turi savo įrenginių saugos užtikrinimo centrą, siekdama pagerinti produktų kokybę ir atsparumą. Lauko magistralių diegimo ir paleidimo išlaidos yra mažesnės nei tradicinių instaliacijų su nuotoliniais I/O, nes instaliacija yra greitesnė ir paprastesnė, naudojant mažiau kabelių ir laidų. ABB Drive Composer Pro programinė įranga dar labiau palengvina paleidimą ir trikčių šalinimą, suteikdama pilną nuotolinę prieigą prie parametrų ir diagnostikos. Naudojant lauko magistralę, galima naudoti paskirstytą valdymą ir pasinaudoti debesų jungiamumo sprendimais. ABB pavaros palaiko medijos redundanciją kabelių gedimų apsaugai ir sistemos redundanciją valdymo sistemai.
Ethernet POWERLINK prieš standartinį Ethernet
Ethernet POWERLINK yra atviras, realaus laiko komunikacijos protokolas, veikiantis standartinėje Ethernet techninėje įrangoje. Sukurtas B&R, jis plačiai naudojamas pramoninės automatikos ir valdymo sistemose.
- Realaus laiko komunikacija: Standartinis Ethernet nėra skirtas realaus laiko komunikacijai. Jis gali patirti vėlavimus ir trikdžius, todėl netinka laiko kritiniams taikymams. Ethernet POWERLINK suteikia deterministinį duomenų perdavimą, užtikrinant, kad duomenys būtų perduodami per garantuotą laiko rėmą. Tai būtina tokiems taikymams kaip robotika, CNC staklės ir automatizuotos gamybos linijos, kur laikas yra gyvybiškai svarbus.
- Sinchronizacija: Ethernet neturi įmontuotų mechanizmų tiksliam įrenginių sinchronizavimui. Tai gali sukelti procesų, reikalaujančių koordinuotų veiksmų, neatitikimus ir neefektyvumą. Ethernet POWERLINK siūlo tikslias sinchronizavimo galimybes, užtikrinant, kad visi tinklo įrenginiai veiktų darniai. Tai būtina tokioms užduotims kaip kelių robotų koordinavimas surinkimo linijoje.
- Patikimumas: Ethernet yra jautrus paketų praradimui ir tinklo perkrovai, kurie gali sutrikdyti komunikaciją ir sukelti gedimus pramoninėse aplinkose. Ethernet POWERLINK sukurtas didelio patikimumo reikalavimams, minimizuojant komunikacijos sutrikimų riziką ir užtikrinant nenutrūkstamą veikimą.
- Determinizmas: Ethernet yra nedeterministinis, o tai reiškia, kad laikas, reikalingas duomenų siuntimui ir gavimui, gali skirtis. Ethernet POWERLINK yra deterministinis, suteikiantis prognozuojamus ir nuoseklius komunikacijos laikus.
Ethernet POWERLINK diegimas Raspberry PLC
Ethernet POWERLINK diegimas Raspberry PLC reikalauja specifinės techninės ir programinės įrangos, siekiant užtikrinti suderinamumą ir optimalų našumą. "Open Source PLC Raspberry Pi", tvirtas ir universalus valdiklis, atlieka svarbų vaidmenį šioje sąrankoje, teikdamas reikiamą skaičiavimo galią ir jungiamumo parinktis, kad efektyviai valdytų pramoninius procesus. openPOWERLINK turi būti įdiegtas tiek kompiuteryje, tiek Raspberry PLC. Atsisiųskite .tar.gz failą. Valdytojo įrenginys (kompiuteris) paleis "demomnconsole", o pavaldinys (Raspberry PLC) paleis "democnconsole".
Norint sėkmingai sukurti Ethernet POWERLINK tinklą, būtina tinkamai sukonfigūruoti įrenginių jungtis. Tai apima ne tik fizinį įrenginių sujungimą Ethernet kabeliu, bet ir jų konfigūravimą, kad jie veiktų tame pačiame aliektyje. Tokia sąranka yra gyvybiškai svarbi sklandžiam Ethernet POWERLINK žinučių siuntimui ir gavimui, kurie yra būtini pramoninių procesų realaus laiko valdymui ir stebėjimui.
static void loopMain(void) { // ...}Norint sėkmingai įdiegti Ethernet POWERLINK Raspberry PLC, būtina sutelkti dėmesį į tikslias jungtis, aliektybos konfigūracijas ir individualų kodavimą. Šie žingsniai yra pagrindiniai tvirto ir efektyvaus tinklo sukūrimui, užtikrinant sklandžią komunikaciją ir valdymą pramoninėse aplinkose.
OpenSAFETY: Saugumo integracija
Šis dokumentas nėra skirtas pakeisti detalių studijų, operacinių ir specifinių vartotojo aplinkai skirtų projektavimo ar schematinių planų. Jis neturėtų būti naudojamas vertinant produktų/sprendimų tinkamumą ar patikimumą specifinėms vartotojų programoms. Schneider Electric prekės ženklas ir bet kokie Schneider Electric SE ir jos dukterinių įmonių prekių ženklai, minimi šiame dokumente, yra Schneider Electric SE ar jos dukterinių įmonių nuosavybė. Šis dokumentas ir jo turinys yra apsaugoti taikomais autorių teisių įstatymais ir pateikiami tik informaciniam naudojimui.
Ethernet Powerlink yra realaus laiko protokolas standartiniam Ethernet. Ethernet Powerlink plečia Ethernet naudojant mišrų apklausos ir laiko skaidymo mechanizmą. Powerlink buvo standartizuotas Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG), kuri buvo įkurta 2001 m. birželį kaip nepriklausoma asociacija. Darbo grupės daugiausia dėmesio skiria tokioms užduotims kaip sauga, technologija, rinkodara, sertifikavimas ir galutiniai vartotojai. Originali fizinio sluoksnio specifikacija buvo 100BASE-TX Fast Ethernet. Standartinis Ethernet duomenų jungiamojo sluoksnio protokolas yra išplėstas papildomu magistralės planavimo mechanizmu, kuris garantuoja, kad vienu metu prie tinklo prisijungia tik vienas mazgas. Planas yra padalintas į izochroninę ir aciklinę fazes. Izochroninės fazės metu perduodami laiko kritiniai duomenys, o aciklinė fazė suteikia pralaidumą ne laiko kritiniams duomenims perduoti. Valdantysis mazgas (MN) suteikia prieigą prie fizinės terpės per dedikuotas apklausos užklausos žinutes. Dėl to tik vienas vienintelis mazgas (CN) vienu metu turi prieigą prie tinklo, o tai padeda išvengti susidūrimų, kurie buvo būdingi senesniems Ethernet hub'ams prieš jungiklius.
Ethernet Powerlink ciklas: Po sistemos paleidimo baigimo, realaus laiko domenas veikia realaus laiko sąlygomis. Pagrindinio ciklo planavimą kontroliuoja Valdantysis mazgas (MN).
- Paleidimo fazė: Valdantysis mazgas siunčia sinchronizavimo žinutę visiems mazgams.
- Izochroninė fazė: Valdantysis mazgas kviečia kiekvieną mazgą perduoti laiko kritinius duomenis proceso ar judesio valdymui, siųsdamas "Preq - Poll Request" kadrą. Adresuotas mazgas atsako "Pres - Poll Response" kadru.
- Aciklinė fazė: Valdantysis mazgas suteikia teisę vienam konkrečiam mazgui siųsti ad-hoc duomenis, siųsdamas "SoA - Start of Asynchronous" kadrą. Adresuotas mazgas atsakys su "ASnd".
Realaus laiko elgesio kokybė priklauso nuo bendro pagrindinio ciklo laiko tikslumo. Atskirų fazių ilgis gali skirtis, kol visų fazių suma lieka pagrindinio ciklo laiko ribose. Valdantysis mazgas stebi pagrindinio ciklo laiko laikymąsi. Be izochroninių duomenų perdavimo per kiekvieną pagrindinį ciklą, kai kurie mazgai taip pat gali dalintis perdavimo laiko tarpsniais geresniam pralaidumo naudojimui. Dėl šios priežasties izochroninė fazė gali skirtis tarp konkretiems mazgams skirtų laiko tarpsnių, kurie turi siųsti savo duomenis kiekviename pagrindiniame cikle, ir tarp mazgų dalinamų laiko tarpsnių, kad duomenys būtų perduodami vienas po kito skirtingais ciklais. Todėl mažiau svarbūs, bet vis dar laiko kritiniai duomenys gali būti perduodami ilgesniais ciklai nei pagrindinis ciklas. Šis režimas daugiausia naudojamas robotikos taikymams ir didelėms superstruktūroms.
Šiandien mašinos, gamyklos ir saugos sistemos yra įstrigusios griežtoje, aparatinės įrangos pagrindu veikiančių saugos funkcijų schemoje. To pasekmės yra brangus kabelių tiesimas ir ribotos diagnostikos galimybės. Sprendimas yra saugos atžvilgiu svarbių taikomųjų duomenų integravimas į standartinį nuoseklųjį valdymo protokolą. OpenSAFETY leidžia tiek "publish/subscriber", tiek "client/server" komunikaciją. Saugos atžvilgiu svarbūs duomenys perduodami per įterptinį duomenų kadrą standartinių komunikacijos žinučių viduje. Priemonės, skirtos išvengti bet kokių nepastebėtų klaidų dėl sisteminių ar stochastinių klaidų, yra neatskiriama funkcinio saugos protokolo dalis. OpenSAFETY atitinka IEC 61508 standartą. Protokolas atitinka SIL 3 reikalavimus.
^ "POWERLINK Communication Profile Specification". 2013: 35. Zezulka, F.; Hyncica, o.
tags: #ethernet #power #link #naudojamas