Baie van julle weet seker of het selfs al gesien hoe groot geoutomatiseerde voorwerpe beheer word, byvoorbeeld 'n kernkragsentrale of 'n fabriek met baie produksielyne: die hoofaksie vind dikwels in 'n groot vertrek plaas, met 'n klomp skerms, gloeilampe en afstandbeheerders. Hierdie beheerkompleks word gewoonlik die hoofbeheerkamer genoem - die hoofbeheerpaneel vir die monitering van die produksiefasiliteit.
Jy het sekerlik gewonder hoe dit alles werk in terme van hardeware en sagteware, hoe hierdie stelsels verskil van konvensionele persoonlike rekenaars. In hierdie artikel sal ons kyk hoe verskeie data na die hoofbeheerkamer kom, hoe opdragte na die toerusting gestuur word, en wat oor die algemeen nodig is om 'n kompressorstasie, 'n propaanproduksie-aanleg, 'n motormonteerlyn of selfs 'n rioolpompaanleg.
Die laagste vlak of veldbus is waar dit alles begin
Hierdie stel woorde, onduidelik vir die oningewydes, word gebruik wanneer dit nodig is om die kommunikasiemiddele tussen mikrobeheerders en ondergeskikte toerusting te beskryf, byvoorbeeld I/O-modules of meettoestelle. Tipies word hierdie kommunikasiekanaal 'n "veldbus" genoem omdat dit verantwoordelik is vir die oordrag van data wat van die "veld" af na die beheerder kom.
"Veld" is 'n diep professionele term wat verwys na die feit dat sommige toerusting (byvoorbeeld sensors of aktueerders) waarmee die beheerder in wisselwerking is iewers ver, ver weg, op straat, in die veld, onder die dekking van die nag geleë is. . En dit maak nie saak dat die sensor 'n halwe meter van die kontroleerder geleë kan wees en byvoorbeeld die temperatuur in 'n outomatiseringskas meet nie, dit word steeds beskou as "in die veld." Meestal reis seine van sensors wat by I/O-modules aankom steeds afstande van tien tot honderde meters (en soms meer) en versamel inligting van afgeleë werwe of toerusting. Eintlik is dit hoekom die uitruilbus, waardeur die beheerder waardes van dieselfde sensors ontvang, gewoonlik 'n veldbus of, minder algemeen, 'n laervlakbus of 'n industriële bus genoem word.
Algemene skema van outomatisering van 'n industriële fasiliteit
Dus, die elektriese sein van die sensor beweeg 'n sekere afstand langs kabellyne (gewoonlik langs 'n gewone koperkabel met 'n sekere aantal kerne), waaraan verskeie sensors gekoppel is. Die sein gaan dan die verwerkingsmodule (invoer/afvoermodule) binne, waar dit omgeskakel word in 'n digitale taal wat vir die beheerder verstaanbaar is. Vervolgens gaan hierdie sein via die veldbus direk na die kontroleerder, waar dit uiteindelik verwerk word. Op grond van sulke seine word die bedryfslogika van die mikrobeheerder self gebou.
Topvlak: van 'n krans tot 'n hele werkstasie
Die boonste vlak word alles genoem wat aangeraak kan word deur 'n gewone sterflike operateur wat die tegnologiese proses beheer. In die eenvoudigste geval is die boonste vlak 'n stel ligte en knoppies. Gloeilampe sein die operateur oor sekere gebeure wat in die stelsel plaasvind, knoppies word gebruik om opdragte aan die beheerder uit te reik. Hierdie stelsel word dikwels 'n "krans" of "Kersboom" genoem omdat dit baie soortgelyk lyk (soos jy kan sien op die foto aan die begin van die artikel).
As die operateur meer gelukkig is, sal hy as die boonste vlak 'n operateurpaneel kry - 'n soort platpaneelrekenaar wat op een of ander manier data vir vertoon van die kontroleerder ontvang en op die skerm vertoon. So 'n paneel word gewoonlik op die outomatiseringskassie self gemonteer, so jy moet gewoonlik daarmee interaksie hê terwyl jy staan, wat ongerief veroorsaak, plus die kwaliteit en grootte van die beeld op kleinformaatpanele laat veel te wense oor.
En laastens, 'n aantrekkingskrag van ongekende vrygewigheid - 'n werkstasie (of selfs verskeie duplikate), wat 'n gewone persoonlike rekenaar is.
Toerusting op die boonste vlak moet op een of ander manier met die mikrobeheerder interaksie hê (anders hoekom is dit nodig?). Vir sulke interaksie word hoërvlakprotokolle en 'n sekere transmissiemedium gebruik, byvoorbeeld Ethernet of UART. In die geval van die “Kersboom” is sulke sofistikasies natuurlik nie nodig nie; die gloeilampe word met gewone fisiese lyne aangesteek, daar is geen gesofistikeerde koppelvlakke of protokolle daar nie.
Oor die algemeen is hierdie boonste vlak minder interessant as die veldbus, aangesien hierdie boonste vlak dalk glad nie bestaan nie (daar is niks vir die operateur om na te kyk uit die reeks nie; die beheerder sal self uitvind wat gedoen moet word en hoe ).
"Antieke" data-oordragprotokolle: Modbus en HART
Min mense weet, maar op die sewende dag van die skepping van die wêreld het God nie gerus nie, maar Modbus geskep. Saam met die HART-protokol is Modbus miskien die oudste industriële data-oordragprotokol; dit het in 1979 verskyn.
Die seriële koppelvlak is aanvanklik as 'n transmissiemedium gebruik, toe is Modbus oor TCP/IP geïmplementeer. Dit is 'n sinchrone meester-slaaf (meester-slaaf) protokol wat die versoek-antwoord beginsel gebruik. Die protokol is redelik omslagtig en stadig, die uitruilspoed hang af van die kenmerke van die ontvanger en sender, maar gewoonlik is die telling amper honderde millisekondes, veral wanneer dit via 'n seriële koppelvlak geïmplementeer word.
Boonop is die Modbus-data-oordragregister 16-bis, wat onmiddellik beperkings op die oordrag van werklike en dubbeltipes stel. Hulle word óf in dele óf met verlies aan akkuraatheid oorgedra. Alhoewel Modbus steeds wyd gebruik word in gevalle waar hoë kommunikasiespoed nie nodig is nie en die verlies van oorgedrade data nie krities is nie. Baie vervaardigers van verskillende toestelle hou daarvan om die Modbus-protokol op hul eie eksklusiewe en baie oorspronklike manier uit te brei, deur nie-standaard funksies by te voeg. Daarom het hierdie protokol baie mutasies en afwykings van die norm, maar leef steeds suksesvol in die moderne wêreld.
Die HART-protokol bestaan ook sedert die tagtigerjare, dit is 'n industriële kommunikasieprotokol oor 'n tweedraadstroomluslyn wat 4-20 mA-sensors en ander HART-geaktiveerde toestelle direk verbind.
Om HART-lyne om te skakel, word spesiale toestelle, sogenaamde HART-modems, gebruik. Daar is ook omsetters wat die gebruiker van byvoorbeeld die Modbus-protokol by die uitset voorsien.
HART is miskien opvallend vir die feit dat benewens die analoog seine van 4-20 mA sensors, die digitale sein van die protokol self ook in die stroombaan oorgedra word, dit laat jou toe om die digitale en analoog dele in een kabellyn te verbind. Moderne HART-modems kan gekoppel word aan die kontroleerder se USB-poort, gekoppel word via Bluetooth, of op die outydse manier via 'n reekspoort. 'n Dosyn jaar gelede, na analogie van Wi-Fi, het die WirelessHART-draadlose standaard, wat in die ISM-reeks werk, verskyn.
Tweede generasie protokolle of nie heeltemal industriële busse ISA, PCI(e) en VME
Die Modbus- en HART-protokolle is vervang deur nie heeltemal industriële busse nie, soos ISA (MicroPC, PC/104) of PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), sowel as VME.
Die era van rekenaars het aangebreek wat 'n universele databus tot hul beskikking het, waar verskeie borde (modules) gekoppel kan word om 'n sekere verenigde sein te verwerk. As 'n reël, in hierdie geval, word die verwerkermodule (rekenaar) in die sogenaamde raam geplaas, wat interaksie via die bus met ander toestelle verseker. Die raam, of, soos ware outomatiseringskenners dit graag noem, "krat", word aangevul met die nodige inset-uitsetborde: analoog, diskreet, koppelvlak, ens., of dit alles word saamgevoeg in die vorm van 'n toebroodjie sonder 'n raam - een bord bo-op die ander. Daarna ruil hierdie verskeidenheid op die bus (ISA, PCI, ens.) data uit met die verwerkermodule, wat dus inligting van die sensors ontvang en 'n mate van logika implementeer.
Kontroleerder en I/O-modules in 'n PXI-raam op 'n PCI-bus. Bron:
Alles sal in orde wees met hierdie ISA-, PCI(e)- en VME-busse, veral vir daardie tye: die uitruilspoed is nie teleurstellend nie, en die stelselkomponente is in 'n enkele raam geleë, kompak en gerieflik, daar is dalk nie hot-swapable I/O-kaarte, maar ek wil nog nie regtig nie.
Maar daar is 'n vlieg in die salf, en meer as een. Dit is nogal moeilik om 'n verspreide stelsel in so 'n konfigurasie te bou, die uitruilbus is plaaslik, jy moet iets uitdink om data uit te ruil met ander slawe- of eweknie-nodusse, dieselfde Modbus oor TCP/IP of 'n ander protokol, in algemeen, daar is nie genoeg geriewe nie. Wel, die tweede nie baie aangename ding nie: I/O-borde verwag gewoonlik 'n soort verenigde sein as inset, en hulle het nie galvaniese isolasie van veldtoerusting nie, so jy moet 'n heining maak uit verskeie omskakelingsmodules en intermediêre stroombane, wat die elementbasis baie bemoeilik.
Intermediêre seinomskakelingsmodules met galvaniese isolasie. Bron:
"Wat van die industriële busprotokol?" - jy vra. Niks nie. Dit bestaan nie in hierdie implementering nie. Deur kabellyne beweeg die sein van sensors na seinomsetters, die omsetters verskaf spanning aan 'n diskrete of analoog I/O-bord, en die data van die bord word reeds deur die I/O-poorte gelees deur die bedryfstelsel te gebruik. En geen gespesialiseerde protokolle nie.
Hoe moderne industriële busse en protokolle werk
Wat nou? Tot op datum het die klassieke ideologie van die bou van outomatiese stelsels 'n bietjie verander. Baie faktore het 'n rol gespeel, begin met die feit dat outomatisering ook gerieflik moet wees, en eindig met die neiging na verspreide outomatiese stelsels met nodusse wat van mekaar af is.
Miskien kan ons sê dat daar twee hoofkonsepte is vir die bou van outomatiseringstelsels vandag: gelokaliseerde en verspreide outomatiese stelsels.
In die geval van gelokaliseerde stelsels, waar data-insameling en -beheer op een spesifieke plek gesentraliseer word, is die konsep van 'n sekere stel inset-/afvoermodules wat deur 'n gemeenskaplike vinnige bus verbind is, insluitend 'n beheerder met sy eie uitruilprotokol, in aanvraag. In hierdie geval, as 'n reël, bevat I/O-modules beide 'n seinomsetter en galvaniese isolasie (hoewel, natuurlik, nie altyd nie). Dit wil sê, dit is genoeg vir die eindgebruiker om te verstaan watter tipe sensors en meganismes in die geoutomatiseerde stelsel teenwoordig sal wees, tel die aantal vereiste invoer-/afvoermodules vir verskillende tipes seine en koppel dit in een gemeenskaplike lyn met die beheerder . In hierdie geval gebruik elke vervaardiger as 'n reël sy gunsteling uitruilprotokol tussen I/O-modules en die kontroleerder, en hier kan baie opsies wees.
In die geval van verspreide stelsels is alles wat met betrekking tot gelokaliseerde stelsels gesê word waar, daarbenewens is dit belangrik dat individuele komponente, byvoorbeeld 'n stel invoer-uitsetmodules plus 'n toestel vir die insameling en oordrag van inligting - 'n nie baie slim mikrobeheerder wat iewers in 'n hokkie in die veld staan, langs die klep wat die olie afsluit - kan met dieselfde nodusse en met die hoofbeheerder op 'n groot afstand met 'n effektiewe wisselkoers interaksie hê.
Hoe kies ontwikkelaars 'n protokol vir hul projek? Alle moderne uitruilprotokolle bied redelik hoë werkverrigting, so die keuse van een of ander vervaardiger word dikwels nie deur die wisselkoers op hierdie baie industriële bus bepaal nie. Die implementering van die protokol self is nie so belangrik nie, want uit die oogpunt van die stelselontwikkelaar sal dit steeds 'n swart boks wees wat 'n sekere interne uitruilstruktuur bied en nie ontwerp is vir inmenging van buite nie. Meestal word aandag gegee aan praktiese kenmerke: die werkverrigting van die rekenaar, die gemak om die vervaardiger se konsep toe te pas op die taak wat voorhande is, die beskikbaarheid van die vereiste tipes I/O-modules, die vermoë om modules warm te ruil sonder om te breek die bus, ens.
Gewilde toerustingverskaffers bied hul eie implementerings van industriële protokolle aan: byvoorbeeld, die bekende maatskappy Siemens ontwikkel sy reeks Profinet- en Profibus-protokolle, B&R ontwikkel die Powerlink-protokol, Rockwell Automation ontwikkel die EtherNet/IP-protokol. 'N Binnelandse oplossing in hierdie lys voorbeelde: 'n weergawe van die FBUS-protokol van die Russiese maatskappy Fastwel.
Daar is ook meer universele oplossings wat nie aan 'n spesifieke vervaardiger gekoppel is nie, soos EtherCAT en CAN. Ons sal hierdie protokolle in detail in die voortsetting van die artikel ontleed en uitvind watter van hulle beter geskik is vir spesifieke toepassings: motor- en lugvaartnywerhede, elektroniese vervaardiging, posisioneringstelsels en robotika. Bly in kontak!
Bron: will.com