Kommunikationsprotokoller i automationsanlæg

En kommunikationsprotokol er et sæt aftaler om, hvordan data repræsenteres, adresseres, sendes, modtages og kvitteres mellem styringer, sensorer, motorer og andre feltenheder i et automationsanlæg. Protokollen er et fælles sprog, så komponenter fra forskellige producenter kan udveksle kommandoer og målinger uden specialkabler eller proprietære formater. Det gør installationen enklere, vedligeholdelsen billigere og fejlfindingen hurtigere.

Lagopbygning

Protokoller beskrives ofte ud fra OSI-modellen, der deler kommunikationen op i lag:

• Det fysiske lag definerer de elektriske eller optiske signaler, fx RS-485, fiber eller kobber-Ethernet.
• Data link- og transportlaget deler informationen op i rammer eller telegrammer, tilføjer fejlkontrol (CRC) og adresser og holder styr på rækkefølge og kvittering.
• Applikationslaget indeholder selve procesvariablene: “læs temperatur”, “skriv setpunkt”, “meld alarmkode”.

Fordi lagene er adskilt, kan den samme applikationsprotokol fx køre både over en seriel bus og over et IP-netværk.

Fire udbredte industrielle protokoller

Modbus

Modbus er en åben og forholdsvis enkel master/slave-protokol fra 1979. I Modbus RTU over RS-485 pakker masteren data i 8-bit registre og kan adressere op til 247 slaver. Modbus TCP over Ethernet pakker de samme registre ind i et TCP-segment, så de eksisterende netværksswitche kan bruges. Ydelsen rækker fint til temperaturfølere, ventilstillinger og energimålere, hvor en cyklustid på omkring hundrede millisekunder er acceptabel.

Profibus

Profibus er udviklet af Siemens og tyske forskningspartnere som feltbus til diskrete styringer. Den mest brugte variant, Profibus DP (Decentral Periphery), overfører op til 244 bytes procesdata pr. node med baudrater fra 9,6 kbit/s til 12 Mbit/s over et totrådet RS-485-kabel. Det giver cyklustider under 2 ms, og derfor passer Profibus godt til klassiske PLC-I/O-opgaver og frekvensomformere i proces- og montageanlæg.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) er en realtids-Ethernet-protokol, som Beckhoff introducerede i 2003. Telegrammet bliver ikke kopieret til hver node. I stedet behandler hver node sine data “on the fly”, mens rammen passerer. Det skærer kraftigt i forsinkelsen og giver opdateringstider under 100 µs for hundredvis af akser eller I/O-punkter. Derfor ses EtherCAT ofte i servodrev, robotter og højhastighedspakkemaskiner, hvor synkroniseringen skal være deterministisk.

CANopen

CANopen bygger på Controller Area Network (CAN), som oprindelig blev udviklet til bilindustrien. Bussens differentielle signalering (11 eller 29 bit identifikatorer) gør den modstandsdygtig over for elektromagnetisk støj, og en maksimal længde på 1 km ved 20 kbit/s er nyttig i mobile eller decentrale installationer. CANopen specificerer objekt-dictionary, device profiles og enhedstilstande (NMT), så systemintegratorer hurtigt kan sætte sensorer, ventiler og displaymoduler sammen på landbrugsmaskiner, løfteborde eller mindre processtationstavler.

Sådan vælger du protokol

• Realtidskrav: Servo- og pick-and-place-applikationer kræver nøjagtighed på mikrosekunder, mens vandværker og HVAC kan nøjes med en opløsning på sekunder.
• Netværkstopologi og rækkevidde: Serielle busser er enkle i stjernefri topologier, mens Ethernet gør det nemt at segmentere med switche og VLAN.
• Åbenhed og licenser: Modbus og CANopen er royaltyfri, mens Profinet eller EtherCAT kan kræve certificeringstest eller licens til softwarestakken.
• Diagnose: Protokoller med indbygget statistik over tabte telegrammer og fejltællere giver kortere nedetid.
• Integration til IT-niveauet: Ethernet-baserede protokoller kan som regel understøtte OPC UA, MQTT eller REST-API, enten via en gateway eller en direkte server. Det er vigtigt i en Industri 4.0-kontekst.

Eksempel fra en tavle

En maskinlinje kan have et ældre Profibus-segment med eksisterende ventilterminaler, mens nye servodrev bliver bestilt med EtherCAT. En gateway på DIN-skinnen konverterer fra Profibus til EtherCAT, så PLC’en stadig er den centrale styreenhed. Data fra begge bussystemer samles i PLC’en og sendes videre til SCADA via Profinet. Sådan kan fabrikken modernisere gradvist uden at skifte hele installationen.

Kommende udvikling

Time-Sensitive Networking (TSN) udvider IEEE-Ethernet med tidssynkroniserede slots, der giver præcision på nanosekunder og høj determinisme. TSN kan blive en fælles platform, hvor realtidsstyring, sikkerhed og IT-trafik kører side om side. Samtidig bliver TLS-kryptering og brugerstyring bygget direkte ind i flere protokolstakke, så cybersikkerhed bliver en del af selve netværksdesignet.