PROFINET, RS-485, Modbus ali CAN: kako izbrati komunikacijo za industrijsko avtomatizacijo?

Vodnik po sodobni industrijski komunikaciji.

V sodobni industrijski avtomatizaciji so zanesljiva komunikacijska omrežja ključ do nemotenega delovanja sistemov. Povezovanje krmilnikov (PLK), operaterskih panelov (HMI), frekvenčnih pretvornikov in pametnih senzorjev zahteva stabilne protokole. Ti neposredno vplivajo na hitrost, diagnostiko in dolgoročno nadgradljivost proizvodnih linij.

Za sisteme, ki temeljijo na Siemensovi opremi, je vodilni standard PROFINET z realnočasovno IIoT povezljivostjo, medtem ko njegov predhodnik PROFIBUS ostaja sinonim za preizkušeno in robustno serijsko fieldbus tehnologijo v tisočih obstoječih obratih. Kot naslednji izjemno razširjen sistem se uveljavlja EtherNet/IP, ki temelji na standardnem Ethernetu ter prinaša odlično interoperabilnost med napravami različnih proizvajalcev in preprosto integracijo.

Za aplikacije, ki zahtevajo ekstremno hitrost in sinhronizacijo v mikrosekundah – predvsem za servo sisteme (motion in robotika) –, pa je nepogrešljiv standard EtherCAT. Kot univerzalni jezik za preprosto in stroškovno učinkovito povezovanje naprav tretjih proizvajalcev (merilniki energije, HVAC, analizatorji) pa ostaja odprti protokol Modbus (v različicah RTU ali TCP).

Zakaj je izbira industrijske komunikacije pomembna?

Izbira komunikacijskega protokola neposredno vpliva na stabilnost, varnost in učinkovitost celotnega stroja ali proizvodnega procesa.

Neustrezno izbran protokol lahko povzroči:

• počasno osveževanje podatkov in pomanjkanje sinhronizacije,
• nestabilno delovanje naprav zaradi komunikacijskih šumov,
• dolgotrajno in izjemno zahtevno diagnostiko napak,
• resne težave in visoke stroške pri razširitvah sistema,
• nepričakovane in daljše zaustavitve celotne proizvodnje,
• omejeno povezljivost s sodobnimi IIoT napravami drugih proizvajalcev.

RS-485: fizična osnova za zanesljiv serijski prenos

RS-485 je standard za serijski prenos podatkov, ki določa električne lastnosti komunikacijske povezave.

Ne določa pomena podatkov ali načina njihovega zapisovanja. Določa predvsem, kako se signal prenaša med napravami.

Delovanje temelji na diferencialnem prenosu. Sprejemnik ne meri napetosti posameznega vodnika proti zemlji, temveč razliko napetosti med dvema vodnikoma.

Ker elektromagnetne motnje praviloma vplivajo na oba vodnika podobno, se njihov skupni vpliv v sprejemniku v veliki meri izniči. Zaradi tega je RS-485 primeren za uporabo v industrijskem okolju.

To je pomembno predvsem tam, kjer so prisotni:

• elektromotorji,
• frekvenčni pretvorniki,
• kontaktorji,
• napajalni vodi,
• varilne naprave,
• dolgi kabelski razvodi,
• večje stikalne omare.

Kje se uporablja RS-485?

RS-485 se pogosto uporablja za povezovanje:

• merilnikov električne energije,
• temperaturnih regulatorjev,
• frekvenčnih pretvornikov,
• tehtalnih sistemov,
• oddaljenih I/O-modulov,
• naprav za avtomatizacijo stavb,
• industrijskih senzorjev,
• krmilnikov,
• operaterskih panelov.

Posebej primeren je za linearno razporejene naprave, na primer vzdolž proizvodne linije, v večjem objektu ali v energetskem sistemu.

Glavne prednosti RS-485

RS-485 omogoča povezovanje več naprav na skupno komunikacijsko linijo.

Njegove glavne prednosti so:

• dobra odpornost proti motnjam,
• možnost povezovanja več naprav,
• komunikacija na večjih razdaljah,
• razmeroma preprosto ožičenje,
• nizki stroški izvedbe,
• velika razširjenost v industrijski opremi.

Največja razdalja in hitrost prenosa sta medsebojno povezani. Višja kot je hitrost, krajša mora biti praviloma komunikacijska linija.

Pri nižjih hitrostih je mogoče podatke prenašati na razdaljah več sto metrov, v pravilno izvedenih sistemih pa tudi dlje.

RS-485 ni isto kot Modbus

RS-485 in Modbus se pogosto omenjata skupaj, vendar ne pomenita istega.

RS-485 določa električni način prenosa podatkov, Modbus pa določa, kako so podatki organizirani in kako si jih naprave izmenjujejo.

RS-485 lahko primerjamo s komunikacijskim medijem, Modbus pa z jezikom, ki ga naprave uporabljajo.

Po povezavi RS-485 se lahko prenaša:

• Modbus RTU,
• BACnet MS/TP,
• Profibus DP,
• proizvajalčev lasten protokol,
• druga serijska komunikacija.

Zato sama prisotnost priključka RS-485 še ne pomeni, da naprava podpira Modbus.

Modbus: preprost in razširjen industrijski protokol

Modbus je eden najbolj razširjenih komunikacijskih protokolov v avtomatizaciji.

Njegova prednost je preprosta in razumljiva struktura. Naprave si izmenjujejo zahteve in odgovore ter dostopajo do določenih podatkovnih območij oziroma registrov.

V registrih so lahko shranjeni:

• temperatura,
• tlak,
• hitrost motorja,
• stanje digitalnega vhoda,
• poraba energije,
• alarmno stanje,
• nastavljena vrednost regulatorja,
• ukaz za vklop ali izklop.

Modbus ne določa, kaj posamezen register pomeni. Pomen registra določi proizvajalec naprave in ga navede v komunikacijski dokumentaciji.

Pri povezovanju je treba preveriti:

• naslov naprave,
• komunikacijsko hitrost,
• pariteto,
• število stop bitov,
• številko registra,
• podatkovni tip,
• vrstni red bajtov,
• podprte funkcijske kode.

Modbus RTU

Modbus RTU je serijska različica protokola, ki se najpogosteje uporablja prek RS-485.

V običajnem sistemu ena nadrejena naprava pošilja zahteve, podrejene naprave pa odgovarjajo.

Nadrejena naprava je lahko:

• PLC,
• industrijski računalnik,
• komunikacijski prehod,
• operaterski panel,
• SCADA-sistem.

Vsaka naprava na magistrali mora imeti svoj naslov.
 

Modbus TCP

Modbus TCP uporablja isto osnovno podatkovno logiko kot Modbus RTU, vendar komunikacija poteka prek Ethernet omrežja in protokola TCP/IP.

Naprave imajo omrežne naslove IP, komunikacija pa poteka prek standardne Ethernet infrastrukture.

Modbus TCP je primeren, kadar želimo:

• povezati naprave prek obstoječega Ethernet omrežja,
• vključiti podatke v SCADA-sistem,
• povezati PLC s strežnikom,
• podatke posredovati informacijskim sistemom,
• povezati več omrežnih segmentov,
• uporabiti standardna omrežna stikala.

Pomembna prednost je preprostejše povezovanje proizvodnega okolja z nadzornimi, analitičnimi in informacijskimi sistemi.

Modbus TCP pa praviloma ni namenjen zelo hitremu in natančno časovno usklajenemu krmiljenju gibanja.

CAN: komunikacija za hitre in razpršene sisteme

CAN oziroma Controller Area Network je bil prvotno razvit za avtomobilsko industrijo.

Njegov namen je bil zmanjšati količino ožičenja in omogočiti zanesljivo komunikacijo med več elektronskimi krmilnimi enotami.

Danes se uporablja tudi v:

• industrijskih strojih,
• mobilni mehanizaciji,
• kmetijskih strojih,
• viličarjih,
• robotiki,
• avtonomnih transportnih sistemih,
• medicinski opremi,
• pogonskih sistemih,
• pozicijskih sistemih.

CAN je primeren za sisteme, v katerih več naprav pogosto izmenjuje kratka sporočila in je pomemben hiter odziv.

Kako deluje CAN?

Pri CAN lahko več naprav začne oddajati sporočilo.

Dostop do magistrale se določa glede na prioriteto sporočila. Sporočilo z višjo prioriteto nadaljuje oddajanje, drugo pa počaka in ga poskusi poslati pozneje.

Takšen način omogoča, da imajo pomembnejši podatki prednost.

Na primer:

• varnostni signal ima lahko prednost pred podatkom o temperaturi,
• ukaz za zaustavitev pogona ima prednost pred diagnostičnim zapisom,
• podatek o položaju osi ima prednost pred statističnim podatkom.

Prednosti komunikacije CAN

Glavne prednosti CAN so:

• kratek odzivni čas,
• določanje prioritet sporočil,
• vgrajeno zaznavanje napak,
• možnost delovanja brez ene osrednje nadrejene naprave,
• dobra odpornost proti motnjam,
• primernost za razpršene sisteme.

CAN je zato pogosto primernejši od Modbus RTU tam, kjer mora več naprav hitro in neposredno izmenjevati podatke.

CANopen

CAN določa osnovno komunikacijo, ne določa pa celotnega pomena podatkov posamezne naprave.

CANopen je višjenivojski protokol, ki določa standardiziran način konfiguracije naprav, organizacije podatkov in izmenjave procesnih sporočil.

Pogosto se uporablja pri:

• servo pogonih,
• krmilnikih gibanja,
• enkoderjih,
• oddaljenih I/O-sistemih,
• transportnih napravah,
• robotih,
• medicinskih napravah,
• laboratorijski opremi.

Prednost CANopen je uporaba standardiziranih profilov naprav. Kljub temu je treba preveriti, katere profile in funkcije posamezna naprava dejansko podpira.

PROFINET: industrijski Ethernet za sodobno avtomatizacijo

PROFINET je industrijski komunikacijski protokol, ki temelji na Ethernet tehnologiji.

Namenjen je komunikaciji med:

• programirljivimi logičnimi krmilniki,
• oddaljenimi I/O-moduli,
• frekvenčnimi pretvorniki,
• servo pogoni,
• operaterskimi paneli,
• industrijskimi senzorji,
• varnostnimi napravami,
• industrijskimi računalniki.

PROFINET je zasnovan za hitrejšo in bolj strukturirano komunikacijo, kot jo običajno ponuja Modbus TCP.

Omogoča ciklično izmenjavo procesnih podatkov, obsežno diagnostiko in povezovanje velikega števila naprav v enotno industrijsko omrežje.

Kako deluje PROFINET?

V sistemu PROFINET ima krmilnik običajno vlogo PROFINET IO Controllerja, priključene naprave pa vlogo PROFINET IO Device.

Krmilnik ciklično izmenjuje podatke z napravami, na primer:

• stanja vhodov,
• vrednosti analognih signalov,
• hitrost pogona,
• položaj osi,
• diagnostična sporočila,
• alarmna stanja,
• izhodne ukaze.

Naprave imajo omrežno ime in naslov IP. Za pravilno delovanje mora biti konfiguracija naprave usklajena s konfiguracijo v programu krmilnika.

Razredi komunikacije PROFINET

PROFINET podpira različne načine komunikacije glede na zahtevano odzivnost.

PROFINET TCP/IP

Uporablja se za parametriranje, diagnostiko in izmenjavo podatkov, pri katerih strogo določen odzivni čas ni najpomembnejši.

PROFINET RT

PROFINET Real Time je namenjen ciklični izmenjavi procesnih podatkov.

Primeren je za:

• običajne I/O-signale,
• frekvenčne pretvornike,
• pnevmatske ventilske sklope,
• operaterske panele,
• večino klasičnih avtomatizacijskih aplikacij.

PROFINET IRT

PROFINET Isochronous Real Time je namenjen časovno zelo zahtevnim aplikacijam.

Uporablja se predvsem za:

• sinhronizacijo servo osi,
• krmiljenje gibanja,
• robotske sisteme,
• visokohitrostne proizvodne stroje,
• aplikacije z natančno časovno usklajenostjo.

Vse naprave ne podpirajo vseh načinov delovanja. Pred izbiro je treba preveriti zmogljivosti krmilnika, stikal in priključenih naprav.

Prednosti PROFINET-a

PROFINET ponuja več prednosti za sodobne avtomatizacijske sisteme:

• hitra ciklična komunikacija,
• dobra razširljivost,
• obsežna diagnostika naprav,
• preprostejše iskanje napak,
• podpora za modularne naprave,
• integracija pogonov in oddaljenih I/O-modulov,
• možnost uporabe upravljanih omrežnih stikal,
• podpora za redundanco,
• povezovanje procesnih in informacijskih podatkov.

V primerjavi z Modbus TCP PROFINET praviloma ponuja podrobnejšo diagnostiko in bolj strukturirano vključevanje naprav v avtomatizacijski sistem.

Mnenje specialista: 

RS-485, Modbus, CAN in PROFINET imajo v industrijski avtomatizaciji različne vloge, zato izbira prave komunikacije ni odvisna samo od hitrosti prenosa podatkov. Upoštevati je treba razdaljo med napravami, zahtevani odzivni čas, število priključenih naprav, okolje uporabe, možnosti diagnostike in prihodnje širitve sistema.

RS-485 z Modbus RTU ostaja smiselna rešitev za merilnike, regulatorje in enostavnejše povezave na daljših razdaljah. Modbus TCP omogoča lažje vključevanje naprav v Ethernet omrežja in nadzorne sisteme. CAN in CANopen sta primerna za hitre, razpršene sisteme, mobilne stroje in pogonske aplikacije. PROFINET pa je pogosto najboljša izbira za nove proizvodne linije, oddaljene I/O-module, frekvenčne pretvornike, servo pogone in druge naprave, kjer so pomembni hitra komunikacija, dobra diagnostika in enostavna razširljivost.

V praksi se različni protokoli pogosto uporabljajo znotraj istega sistema. Ključno je, da je vsaka komunikacija izbrana glede na nalogo, omrežje pa pravilno načrtovano in izvedeno z ustreznimi kabli, konektorji, stikali ter komunikacijskimi prehodi.

Pri Elektrospojih vam pomagamo pri izbiri industrijskih komunikacijskih komponent in drugih komponent za varno in zanesljivo povezovanje naprav v avtomatizacijskih sistemov.