Шини и протоколи в промишлената автоматизация: как всичко това работи

Наверняка много от вас знае или даже е виждало, как се управляват големи автоматизирани обекти, например, атомна електрическа централа или завод с множество технологични линии: основното действие често се случва в голяма зала, с куп екрани, лампички и пултове. Този контролен комплекс обикновено се нарича ГЩУ — главен щит за управление на производствения обект.

Наверняка ви е било интересно как всичко това работи от гледна точка на хардуера и софтуера, с какво се различават тези системи от познатите персонални компютри. В тази статия ще разгледаме как различни данни попадат в ГЩУ, как се подават команди на оборудването и какво е нужно, за да се управлява компресорна станция, инсталация за производство на пропан, производствена линия за автомобили или дори канализационно-помпена станция.

Долният ниво или полевата шина — това, от което всичко започва

Този неясен за непосветените набор от думи се използва, когато трябва да опишем средства за комуникация на микроконтролерите с подведомственото оборудване, например, модули за вход-изход или измервателни уреди. Обикновено този комуникационен канал се нарича «полевата шина», защото той отговаря за предаването на данни на контролера, които идват от «полето».

«Поле» — това е дълбок професионален термин, обозначаващ факта, че определено оборудване (например, сензори или изпълнителни механизми), с което контролерът взаимодейства, се намира някъде далеч, на улицата, в полята, под покрива на нощта. И няма значение, че сензорът може да бъде разположен на половин метър от контролера и да измерва, да речем, температурата в шкафа за автоматика, все пак се счита, че той е «в полето». Най-често сигналите от сензорите, постъпващи в модулите за вход-изход, преодоляват разстояния от десетки до стотици метри (а понякога и повече), събирайки информация от отдалечени места или оборудване. Именно затова шина за обмен, по която контролерът получава стойности от тези сензори, обикновено се нарича полева шина или по-рядко шина на долно ниво или индустриална шина.

Обща схема на автоматизация на индустриален обект

И така, електрическият сигнал от сензора преминава определено разстояние по кабелни линии (по правило по обикновен меден кабел с определен брой жици), към които са свързани няколко сензора. След това сигналът попада в модул за обработка (модул за вход-изход), където се преобразува в разбираем за контролера цифров език. След това този сигнал по полевата шина попада директно в контролера, където се обработва окончателно. На база на такива сигнали се изгражда логиката на работа на самия микроконтролер.

Върхово ниво: от гирлянди до цяла работна станция

Върховото ниво се нарича всичко, до което може да се докосне обикновеният оператор, който управлява технологичния процес. В най-простия случай върховото ниво представлява набор от лампички и бутони. Лампичките сигнализират на оператора за настъпващи събития в системата, а бутоните служат за подаване на команди към контролера. Тази система често се нарича „гирлянда“ или „елха“, защото изглежда много подобно (както може да се види на снимката в началото на статията).

Ако операторът е по-щастлив, за върхово ниво ще му се падне панел на оператора — нещо като плоскопанелен компютър, който по един или друг начин получава данни за визуализация от контролера и ги извежда на екрана. Тази панел обикновено се монтира на самия шкаф за автоматизация, затова взаимодействието с него обикновено става изправен, което създава неудобство, плюс качеството и размерът на изображението на малкоформатните панели оставя много да се желае.

И накрая, атракция на невиждана щедрост — работна станция (или дори няколко дублиращи), представляваща обычен персонален компютър.

Оборудването на върховото ниво трябва да взаимодейства по някакъв начин с микроконтролера (иначе каква е ползата?). За такова взаимодействие се използват протоколи на върховото ниво и среда за предаване, например, Ethernet или UART. В случая с „елхата“ такива изисканости, разбира се, не са необходими, лампичките се включват с използването на обикновени физически линии, без сложни интерфейси и протоколи.

Общо взето, този горен слой е по-малко интересен от полевата шина, тъй като този горен слой може изобщо да не съществува (от серията няма какво да гледа оператора, контролерът сам ще разбере какво и как да прави).

«Древни» протоколи за предаване на данни: Modbus и HART

Малко хора знаят, но на седмия ден от сътворението на света Бог не почивал, а създавал Modbus. Наред с HART-протокола, Modbus е най-старият индустриален протокол за предаване на данни, появил се още през 1979 година.

Първоначално за предаване е използван последователен интерфейс, след което Modbus беше реализиран върху TCP/IP. Това е синхронен протокол по схема «майстор-роб» (master-slave), в който се използва принципът «заявка-отговор». Протоколът е сравнително тежък и бавен, скоростта на обмена зависи от характеристиките на приемника и предавателя, но обикновено става въпрос за стотици милисекунди, особено при реализация чрез последователен интерфейс.

Освен това, регистърът за предаване на данни Modbus е 16-битен, което веднага налага ограничения за предаване на типове real и double. Те се предават или на части, или с загуба на точност. Въпреки това, Modbus все още се използва широко в случаи, когато не е необходима висока скорост на обмена и загубата на предавани данни не е критична. Много производители на различни устройства обичат да разширяват протокола Modbus по свой уникален и много оригинален начин, добавяйки нестандартни функции. Поради това, този протокол има множество мутации и отклонения от нормата, но все още успешно живее в съвременния свят.
Протоколът HART също съществува от осемдесетте години, той е индустриален протокол за обмен през двужичен токов контур, в който директно се свързват сензори 4-20 mA и други устройства с поддръжка на протокола HART.

За комутация на линиите HART се използват специални устройства, наречени HART модеми. Също така съществуват преобразуватели, които на изхода предоставят на потребителя вече, да кажем, протокола Modbus.

Забележителен HART, вероятно, с това, че освен аналоговите сигнали от сензори 4-20 мА, в веригата се предава и цифров сигнал на самия протокол, което позволява свързването на цифровата и аналоговата част в една кабелна линия. Съвременните HART модеми могат да се свързват към USB порта на контролера, да се свързват чрез Bluetooth или по стария начин през серийния порт. Преди десет години, по аналогия с Wi-Fi, се появи и безжичният стандарт WirelessHART, работещ в ISM диапазона.

Второто поколение протоколи или не съвсем индустриални шини ISA, PCI(e) и VME

На смяна на протоколите Modbus и HART дойдоха не съвсем индустриални шини, като ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), както и VME.

Настъпи ерата на изчислителите, които разполагат с универсална шина за предаване на данни, към която могат да се свързват различни платки (модули) за обработка на определен унифициран сигнал. Обикновено в този случай, процесорният модул (изчислител) се поставя в така наречената рама, която осигурява взаимодействие по шината с други устройства. Рамата, или, както я наричат истинските автоматизатори, 'крейта', се допълва с необходимите платки за вход-изход: аналогови, дискретни, интерфейсни и т.н., или всичко това се слепва под формата на сандвич без рамка — една платка над друга. След това това многообразие на шината (ISA, PCI и т.н.) обменя данни с процесорния модул, който по този начин получава информация от сензорите и реализира някаква логика.

Контролерът и модулите за вход-изход в рамката PXI на шината PCI. Източник: National Instruments Corporation

Всичко би било наред с тези шини ISA, PCI(e) и VME, особено за онези времена: и скоростта на обмен не разочарова, и компонентите на системата са разположени в единна рамка, компактно и удобно, горещата замяна на платките за вход-изход може да не съществува, но все още не се иска особено.

Но има и лъжица катран, и не една. Разпределената система е доста сложна за изграждане в такава конфигурация, локалната шина за обмен е ограничена; необходима е иновация за обмен на данни с други подчинени или равноправни възли, независимо дали е Modbus над TCP/IP или друг протокол. В общи линии, удобствата са малко. А и втората неприятна особеност е, че платките за вход-изход обикновено очакват на входа някакъв унифициран сигнал и нямат галванична развръзка с полевото оборудване, затова е нужно да се построяват различни модули за преобразуване и междинни схеми, което значително усложнява елементната база.

Промеждинни модули за преобразуване на сигнал с галванична развръзка. Източник: DataForth Corporation

„А какво да кажем за протокола за обмен по индустриална шина?“ — ще попитате вие. Ами нищо. Такъв протокол не съществува в тази реализация. Чрез кабелните линии сигналът от датчиците достига до преобразувателите на сигнали, които издават напрежение на дискретната или аналоговата платка за вход-изход, а данните от платката се четат през портовете за вход/изход с помощта на операционната система. Никакви специализирани протоколи.

Как работят съвременните индустриални шини и протоколи

Какво следва? Към днешна дата класическата идеология за изграждане на автоматизирани системи малко се е променила. Множество фактори изиграват роля, от удобството на автоматизацията до тенденцията за разпределени автоматизирани системи с отдалечени помежду си възли.

Може би е разумно да кажем, че съществуват две основни концепции за изграждане на автоматизационни системи в наши дни: локализирани и разпределени автоматизирани системи.

В случая на локализираните системи, където събирането на данни и управлението са централизирани на едно конкретно място, концепцията за определен набор входно-изходни модули, свързани помежду си чрез обща бърза шина, е търсена. В повечето случаи входно-изходните модули включват и преобразувател на сигнала и галванична развръзка (въпреки че, разбира се, не винаги). Тоест, на крайния потребител му е достатъчно да разбере какви типове сензори и механизми ще присъстват в автоматизираната система, да изчисли необходимия брой входно-изходни модули за различни типове сигнали и да ги свърже в една обща линия с контролера. В този случай, обикновено всеки производител използва своя любим протокол за обмен между входно-изходните модули и контролера, а опции тук могат да бъдат много.

В случая на разпределени системи е валидно всичко, което е казано по отношение на локализираните системи, освен това е важно отделните компоненти, например, набор от входно-изходни модули плюс устройство за събиране и предаване на информация — не много умният микроконтролер, който се намира някъде в будка на полето, до крана, който спира нефта, — да могат да взаимодействат с подобни възли и с главния контролер на голямо разстояние с ефективна скорост на обмен.

Как разработчиците избират протокол за своя проект? Всички съвременни протоколи за обмен предлагат доста висока производителност, затова често изборът на конкретен производител не се основава на скоростта на обмен по тази промишлена шина. Не е толкова важна и реализацията на самия протокол, защото от гледната точка на разработчика на системата, това все пак ще бъде черна кутия, която осигурява определена вътрешна структура за обмен и не е предназначена за намеса отвън. Най-често се обръща внимание на практическите характеристики: производителността на изчислителя, удобството на приложението на концепцията на производителя към поставената задача, наличието на необходимите типове входно-изходни модули, възможността за гореща смяна на модулите без прекъсване на шината и т.н.

Популярните доставчици на оборудване предлагат собствени реализации на индустриални протоколи: например, известната компания Siemens разработва своя серия протоколи Profinet и Profibus, компания B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Вътрешно решение в този списък примери: версия на протокола FBUS от руската компания Fastwel.

Съществуват и по-универсални решения, които не са обвързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. В статията ще разгледаме подробно тези протоколи и ще разберем кои от тях са най-подходящи за конкретни приложения: автомобилната и аерокосмическата индустрия, производството на електроника, системите за позициониране и роботиката. Останете на линия!

Източник: habr.com