Шини и протоколи в индустриалната автоматизация: как работи всичко

Със сигурност много от вас знаят или дори са виждали как се управляват големи автоматизирани обекти, например атомна електроцентрала или фабрика с много производствени линии: основното действие често се развива в голяма стая, с куп екрани, електрически крушки и дистанционни управления. Този контролен комплекс обикновено се нарича главна контролна зала - главният контролен панел за наблюдение на производственото съоръжение.

Със сигурност сте се чудили как работи всичко това по отношение на хардуер и софтуер, как тези системи се различават от конвенционалните персонални компютри. В тази статия ще разгледаме как различните данни достигат до главната контролна зала, как се изпращат команди към оборудването и какво обикновено е необходимо за управление на компресорна станция, завод за производство на пропан, поточна линия за автомобили или дори канализационна помпена станция.

Най-ниското ниво или fieldbus е мястото, където всичко започва

Този набор от думи, неясен за непосветените, се използва, когато е необходимо да се опише средството за комуникация между микроконтролери и подчинено оборудване, например I/O модули или измервателни устройства. Обикновено този комуникационен канал се нарича „полева шина“, тъй като е отговорен за предаването на данни, които идват от „полето“ към контролера.

„Поле“ е дълбок професионален термин, който се отнася до факта, че някакво оборудване (например сензори или изпълнителни механизми), с което контролерът взаимодейства, се намира някъде далеч, далеч, на улицата, в полето, под прикритието на нощта . И няма значение, че сензорът може да се намира на половин метър от контролера и да измерва, да речем, температурата в шкаф за автоматизация, все пак се счита, че е „на полето“. Най-често сигналите от сензори, пристигащи до I/O модулите, все още изминават разстояния от десетки до стотици метри (а понякога и повече), събирайки информация от отдалечени сайтове или оборудване. Всъщност, затова обменната шина, чрез която контролерът получава стойности от същите тези сензори, обикновено се нарича полева шина или, по-рядко, шина от по-ниско ниво или индустриална шина.

Обща схема за автоматизация на промишлено съоръжение

И така, електрическият сигнал от сензора преминава определено разстояние по кабелни линии (обикновено по обикновен меден кабел с определен брой жила), към които са свързани няколко сензора. След това сигналът влиза в обработващия модул (входно-изходен модул), където се преобразува в цифров език, разбираем за контролера. След това този сигнал през полевата шина отива директно към контролера, където окончателно се обработва. Въз основа на такива сигнали се изгражда логиката на работа на самия микроконтролер.

Най-високо ниво: от гирлянд до цяла работна станция

Горното ниво се нарича всичко, което може да бъде докоснато от обикновен смъртен оператор, който контролира технологичния процес. В най-простия случай най-горното ниво е набор от светлини и бутони. Електрическите крушки сигнализират на оператора за определени събития, настъпващи в системата, бутоните се използват за подаване на команди към контролера. Тази система често се нарича "гирлянд" или "коледно дърво", защото изглежда много подобно (както можете да видите от снимката в началото на статията).

Ако операторът е по-щастлив, тогава като най-високо ниво той ще получи операторски панел - вид компютър с плосък панел, който по един или друг начин получава данни за показване от контролера и ги показва на екрана. Такъв панел обикновено се монтира на самия шкаф за автоматизация, така че обикновено трябва да взаимодействате с него, докато стоите, което причинява неудобство, плюс качеството и размерът на изображението на панели с малък формат оставя много да се желае.

И накрая, атракция с безпрецедентна щедрост - работна станция (или дори няколко дубликати), която е обикновен персонален компютър.

Оборудването от по-високо ниво трябва да взаимодейства по някакъв начин с микроконтролера (в противен случай защо е необходимо?). За такова взаимодействие се използват протоколи от по-високо ниво и определена среда за предаване, например Ethernet или UART. В случая с „коледното дърво“ такива усъвършенствания, разбира се, не са необходими; електрическите крушки светят с помощта на обикновени физически линии, там няма сложни интерфейси или протоколи.

Като цяло това горно ниво е по-малко интересно от полевата шина, тъй като това горно ниво може изобщо да не съществува (няма какво да гледа операторът от серията; контролерът сам ще разбере какво трябва да се направи и как ).

„Древни“ протоколи за пренос на данни: Modbus и HART

Малко хора знаят, но на седмия ден от сътворението на света Бог не си почива, а създава Modbus. Заедно с протокола HART, Modbus е може би най-старият индустриален протокол за пренос на данни; той се появи през 1979 г.

Серийният интерфейс първоначално е използван като среда за предаване, след това Modbus е внедрен през TCP/IP. Това е синхронен протокол master-slave (главен-подчинен), който използва принципа заявка-отговор. Протоколът е доста тромав и бавен, скоростта на обмен зависи от характеристиките на приемника и предавателя, но обикновено броенето е почти стотици милисекунди, особено когато се реализира чрез сериен интерфейс.

Освен това регистърът за трансфер на данни Modbus е 16-битов, което веднага налага ограничения върху трансфера на реални и двойни типове. Те се предават или на части, или със загуба на точност. Въпреки че Modbus все още се използва широко в случаите, когато не са необходими високи комуникационни скорости и загубата на предадени данни не е критична. Много производители на различни устройства обичат да разширяват протокола Modbus по свой изключителен и много оригинален начин, добавяйки нестандартни функции. Следователно този протокол има много мутации и отклонения от нормата, но все още живее успешно в съвременния свят.
Протоколът HART също съществува от осемдесетте години насам, той е индустриален комуникационен протокол през двупроводна токова линия, която директно свързва 4-20 mA сензори и други устройства с HART.

За превключване на HART линии се използват специални устройства, така наречените HART модеми. Има и конвертори, които предоставят на потребителя, да речем, протокола Modbus на изхода.

HART е може би забележителен с факта, че в допълнение към аналоговите сигнали на 4-20 mA сензори, цифровият сигнал на самия протокол също се предава във веригата, което ви позволява да свържете цифровите и аналоговите части в една кабелна линия. Модерните HART модеми могат да бъдат свързани към USB порта на контролера, свързани чрез Bluetooth или по старомодния начин чрез сериен порт. Преди десетина години, по аналогия с Wi-Fi, се появи безжичният стандарт WirelessHART, работещ в диапазона ISM.

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

Протоколите Modbus и HART са заменени от не съвсем индустриални шини, като ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), както и VME.

Настъпи ерата на компютрите, които имат на разположение универсална шина за данни, където могат да се свързват различни платки (модули), за да обработват определен унифициран сигнал. По правило в този случай процесорният модул (компютър) се вкарва в така наречената рамка, която осигурява взаимодействие чрез шината с други устройства. Рамката, или, както обичат да я наричат ​​истинските експерти по автоматизация, „щайга“, е допълнена с необходимите входно-изходни платки: аналогови, дискретни, интерфейсни и т.н., или всичко това е събрано под формата на сандвич без рамка - една дъска върху друга. След това тази разновидност на шината (ISA, PCI и т.н.) обменя данни с процесорния модул, който по този начин получава информация от сензорите и реализира някаква логика.

Контролер и I/O модули в PXI рамка на PCI шина. източник: National Instruments Corporation

Всичко би било наред с тези ISA, PCI(e) и VME шини, особено за онези времена: скоростта на обмен не е разочароваща и системните компоненти са разположени в една рамка, компактни и удобни, може да няма възможност за гореща смяна I/O карти, но все още не искам.

Но има муха в мехлема, и то повече от една. Доста е трудно да се изгради разпределена система в такава конфигурация, шината за обмен е локална, трябва да измислите нещо за обмен на данни с други подчинени или партньорски възли, същия Modbus през TCP/IP или някакъв друг протокол, в като цяло, няма достатъчно удобства. Е, второто не много приятно нещо: I/O платките обикновено очакват някакъв вид унифициран сигнал като вход и нямат галванична изолация от полевото оборудване, така че трябва да направите ограда от различни модули за преобразуване и междинни вериги, което значително усложнява елементната база.

Междинни модули за преобразуване на сигнали с галванична изолация. източник: DataForth Corporation

„Какво ще кажете за протокола за индустриална шина?“ - ти питаш. Нищо. Не съществува в тази реализация. Чрез кабелни линии сигналът преминава от сензори към преобразуватели на сигнали, преобразувателите подават напрежение към дискретна или аналогова I/O платка, а данните от платката вече се четат през I/O портовете с помощта на операционната система. И никакви специализирани протоколи.

Как работят съвременните индустриални шини и протоколи

Сега какво? Към днешна дата класическата идеология за изграждане на автоматизирани системи се е променила малко. Много фактори изиграха роля, като се започне от факта, че автоматизацията също трябва да бъде удобна и завърши с тенденцията към разпределени автоматизирани системи с възли, отдалечени един от друг.

Може би можем да кажем, че днес има две основни концепции за изграждане на системи за автоматизация: локализирани и разпределени автоматизирани системи.

В случай на локализирани системи, където събирането и контролът на данни са централизирани на едно конкретно място, се търси концепцията за определен набор от входно-изходни модули, свързани помежду си с обща бърза шина, включително контролер със собствен протокол за обмен. В този случай, като правило, I/O модулите включват както преобразувател на сигнали, така и галванична изолация (въпреки че, разбира се, не винаги). Тоест, достатъчно е крайният потребител да разбере какви видове сензори и механизми ще присъстват в автоматизираната система, да преброи броя на необходимите входно-изходни модули за различни типове сигнали и да ги свърже в една обща линия с контролера. . В този случай, като правило, всеки производител използва любимия си протокол за обмен между I/O модули и контролера и тук може да има много опции.

В случай на разпределени системи всичко, което се казва по отношение на локализираните системи, е вярно, освен това е важно отделните компоненти, например набор от входно-изходни модули плюс устройство за събиране и предаване на информация - не много интелигентен микроконтролер, който стои някъде в кабина в полето, до клапана, който спира маслото - може да взаимодейства със същите възли и с главния контролер на голямо разстояние с ефективен обменен курс.

Как разработчиците избират протокол за своя проект? Всички съвременни протоколи за обмен осигуряват доста висока производителност, така че изборът на един или друг производител често не се определя от обменния курс на този много индустриален автобус. Внедряването на самия протокол не е толкова важно, тъй като от гледна точка на разработчика на системата той все още ще бъде черна кутия, която осигурява определена вътрешна структура за обмен и не е предназначена за външна намеса. Най-често се обръща внимание на практическите характеристики: производителността на компютъра, лекотата на прилагане на концепцията на производителя към поставената задача, наличието на необходимите типове входно-изходни модули, възможността за гореща смяна на модули без счупване автобуса и др.

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

Има и по-универсални решения, които не са обвързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. Ще анализираме подробно тези протоколи в продължението на статията и ще разберем кои от тях са по-подходящи за конкретни приложения: автомобилна и космическа индустрия, производство на електроника, системи за позициониране и роботика. Поддържате връзка!

Източник: www.habr.com