Что такое FMS системы?
На современном производстве обеспечивается постоянное обновление конкурентоспособной продукции путем технического перевооружения предприятия и его реконструкции. Обычно приходится решать одновременно несколько главных задач, от которых зависит эффективность нового производства:
- обеспечение высокой производительности обработки продукта;
- гарантии его отличного качества;
- производство продукции в требуемых объемах;
- максимальная автоматизация производственных процессов;
- исключение простоя деталей и узлов;
- автоматизированное планирование и управление производством
Комплексное решение этих задач обеспечивают так называемые гибкие производственные системы. Они применяются как в производственных модулях на базе одного станка с ЧПУ, так и на производственных участках и цехах, объединенных компьютерной системой.
FMS система или гибкая производственная система представляет собой метод, который позволяет приспособить производство к изменениям количества выпускаемой продукции или ее типа. Таким образом, данные системы повышают эффективность производственного процесса и снижают расходы компании. При использовании FMS системы в изготовлении на заказ клиенты могут выбирать разные виды продукции по своему предпочтению.
Гибкость в производстве представляет собой использование вариаций в сборке деталей, последовательности процессов, изменении объема производства и конструкции производимого продукта. Гибкая производственная система может иметь разную степень гибкости. Первая категория гибкости называется гибкостью маршрутизации. Она предусматривает возможность изменения системы для изготовления новых типов продуктов. Также появляется возможность изменять порядок операций с деталями. Вторая категория называется гибкостью машин и заключается в возможности использования нескольких машин для выполнения одной операции .
Гибкая производственная система представлена разнообразными конфигурациями, которые могут включать механические станки, интегрированные роботизированные модули, машины с компьютерным управлением, машины с числовым программным управлением, компьютеры, датчики, складские комплексы, измерительные приборы и устройства, управление материальным обеспечением и другие элементы. Благодаря применению роботов на обрабатывающих производствах обеспечивается высокая производительность труда и высокая степень загрузки.
Как правило, системы FMS включают 3 основные системы:
- машины в виде автоматизированных станков, оснащенных ЧПУ;
- системы обработки материалов;
- компьютеры, управляющие движением материалов и машинным оборудованием.
Особенности работы гибких производственных систем
Гибкая производственная система включает рабочие станции и компьютерные терминалы, которые тесно связаны между собой. Ее можно запрограммировать на изготовление продуктов одного типа в определенном количестве, а через время система автоматически переключится на изготовление другого набора продуктов. Их количество также может измениться.
В настоящее время гибкие производственные системы fms благодаря высокой степени автоматизации производства позволяют существенно уменьшить затраты на рабочую силу. Но для разработки и внедрения системы FMS необходимо привлекать квалифицированных специалистов.
Их основные преимущества заключаются в следующем:
- уменьшенная стоимость производства и снижение себестоимости произведенной продукции;
- высокое качество изделий;
- надежность системы;
- уменьшение сроков выполнения заказа;
- сокращение запасов запчастей.
Главное преимущество данного метода заключается в повышении эффективности производства, так как сокращается время простоя линии при настройке на изготовление другого продукта. В то же время на этапе внедрения системы потребуются высокие первоначальные затраты. Также необходимо больше времени для разработки технических характеристик системы и оплаты труда специалистов для запуска, обслуживания и мониторинга системы FMS.
Современное производств, должно динамично реагировать на изменения требований рынка. Системы FMS способны удовлетворить требования предприятий-заказчиков, обеспечить высокую рентабельность производства и конкурентоспособности продукции.
Fms шина что это
Есть множество датчиков, все они собирают информацию о состоянии автомобиля и передают её на своём языке контроллерам, которые понимают их. Каждый контроллер переводит полученные данные на единый, принятый в CAN-шине, язык и «выпускает» информацию дальше в систему.
Все контроллеры связаны между собой теми самыми двумя проводами. Возможен и обратный процесс: из единой системы — к датчикам. В итоге сотни датчиков по всей машине могут обмениваться друг с другом информацией.
По сути CAN — это сеть для передачи данных, но со своими особенностями и топологией. Но для того, чтобы организовать автоматическое распределение имён (идентификаторов) между узлами и датчиками, стандартизировать и привести к единообразию управление устройствами различных типов и производителей на разных автомобилях, на рынке стали разрабатываться протоколы более высокого уровня для CAN. Одним из таких стандартов (протоколов) и является J1939.
Изначально он был придуман для грузовиков, но в настоящее время он широко применяется в легковых автомобилях, в сельскохозяйственной технике, автобусах и так далее.
Главная его идея — это стандартизировать «имена» (идентификаторы/адреса) и «правила общения» (запросов и ответов) между сегментами сети CAN.
The Fleet Management Systems Interface (FMS) представляет собой стандартный протокол для работы с данными коммерческого транспорта разных производителей.
Его разработали (договорились между собой и согласовали) шесть европейских производителей: Daimler AG, MAN AG, Scania, Volvo (включая Renault), DAF Trucks и IVECO в 2002 году. Они преследовали цель — сделать процесс считывания данных и диагностики ошибок более простым и универсальным. Как итог, теперь на разных машинах, например Scania и Volvo, можно одинаково «прочитать» в CAN-шине текущую скорость или обороты двигателя.
Есть несколько поколений данного стандарта, в рамках которых меняется количество доступных стандартных, единых параметров. Сейчас их уже около 30. Наличие этой функции у многих производителей опционально при заказе нового автомобиля и «включение» её в комплектацию является платным.
Это устаревший и предшествующий J1939 протокол с очень схожим смыслом и функционалом. И про него никто бы не вспоминал, не будь нашего желания экономить ?
Дело в том, что некоторые производители, например Volvo, ряд параметров FMS-стандарта открывали для свободного чтения, а самые интересные из них, топливные например, скрывали. Получить их можно было либо приобретая специальный FMS-шлюз, либо «открывая» параметры на сервисе, естественно, не бесплатно.
Тогда наши смекалистые соседи из Литвы вспомнили про устаревший J1708, проверили — и да, здесь ничего не «скрывали», поэтому можно было достать те самые актуальные топливные параметры. По этой причине на рынке было важным и популярным, чтобы GPS трекер «умел читать» J1708.
Это быстро прикрыли, и производители автомобилей окончательно отказались от J1708. Теперь это неактуально.
Здесь, к сожалению, производителям договориться о каком-то стандарте не удалось. Их много, жёсткая конкуренция, общих задач нет, большое количество выпускаемых моделей, высокая скорость изменений и модернизации датчиков и так далее.
В результате в большинстве случаев протокол, по которому происходит обмен данными в CAN-шине легкового автомобиля, неизвестен либо нигде не описан. А потребность видеть и получать данные с бортового компьютера легкового автомобиля ничуть не меньше. Расход топлива, текущий пробег, обороты двигателя и многие другие параметры важны для контроля эффективности эксплуатации машины водителем.
К слову, на рынке есть ряд так называемых переходников. Их создатели либо добились от производителей автомобилей, либо самостоятельно подобрали нужные «правила общения» и «имена» (идентификаторы, ID) датчиков во многих моделях автомобилей. Переходники «переводят» их на язык J1939 или другие, понятные GPS трекерам, протоколы.
В своей работе мы используем такие, а в последнее время учимся подбирать протоколы самостоятельно.
Спутниковый мониторинг транспорта и контроль расхода топлива
CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.
Локальная сеть контроллеров CAN это стандарт серийной шины, разработанный в 80-х годах Robert Bosch GmbH, для соединения электронных блоков управления. CAN был специально разработан для устойчивой работы в насыщенной помехами окружающей среде с применением разносторонне сбалансированной линии, такой как RS-485. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары. Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в разнообразных системах управления, в т.ч. индустриальных, работающих в насыщенной помехами окружающей среде.
Скорость обмена данными до 1Mbit/s возможна в сетях протяженностью не более 40м. Снижение скорости обмена позволяет увеличить протяженность сети, например — 250 Kbit/s при 250м.
CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11898-1 (2003). Этот стандарт главным образом описывает слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля доступа (MAC), и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на усмотрение разработчика сети.
На базе технологии CAN построен протокол FMS.
FMS (Fuel Monitoring System) — система, которая позволяет регистрировать и контролировать основные параметры использования транспортного средства. Протокол FMS поддерживается большинством европейских автопроизводителей, начиная с 2004 года.
Протокол FMS предоставляет следующие данные:
- Расход топлива: в движении / на стоянке / мгновенный;
- Сколько топлива израсходовано от включения зажигания (текущий цикл ВВЗ);
- Скорость автомобиля в текущей точке трека (это более точная величина, чем получаемая при усреднении с трекеров);
- Ускорение: разгон, торможение (рывок) — оценка стиля вождения (как водитель тормозит и разгоняется, как часто происходят «рывки» автомобиля);
- Обороты двигателя;
- Нагрузка на двигатель;
- Положение педали газа;
- Температура: охлаждающей жидкости / во впускном коллекторе;
- Давление: масла / наддува;
- Момент на валу;
- Уровень масла;
- Уровень топлива в баке;
- Ошибки, которые выдает ЭБУ (активные, неактивные);
- Устройства, обнаруженные в сети.
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.
- PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
- PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.
Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:
- PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
- PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
- PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.
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.
Источник