Шини и протоколи в промишлената автоматизация: как всичко това работи

Сигурно много от вас знаят или дори са видели как се управляват големи автоматизирани обекти, например, атомна електрическа централа или завод с множество технологични линии: основното действие често се случва в голямо помещение, с куп екрани, лампички и пултове. Този управленски комплекс обикновено се нарича ГЩУ — главен щит за управление за контрол на производствения обект.

Сигурно ви е било интересно как всичко това работи от техническа и програмна гледна точка, как тези системи се различават от познатите лични компютри. В тази статия ще разгледаме как различни данни постъпват в ГЩУ, как се подават команди към оборудването и какво всъщност е необходимо за управление на компресорна станция, установка за производство на пропан, линия за сглобяване на автомобили или дори канализационно-помпена установка.

Долният слой или полева шина — това, от което всичко започва

Този неясен за неподготвените набор от думи се използва, когато трябва да се опишат средствата за комуникация между микроконтролерите и подведомственото оборудване, например, модулите за вход-изход или измервателните устройства. Обикновено този канал за комуникация се нарича „полева шина“, тъй като той отговаря за предаването на данни към контролера, които идват от „полето“.

„Поле“ — това е дълбок професионален термин, който обозначава факта, че определено оборудване (например, сензори или изпълнителни механизми), с което контролерът взаимодействува, се намира някъде много далеч, на открито, в полята, под покривало на нощта. И не е важно, че сензорът може да бъде разположен на половин метър от контролера и да измерва, да кажем, температурата в шкафа на автоматизацията, все пак се счита, че той се намира „в полето“. Най-често сигналите от сензорите, които постъпват в модулите за вход-изход, все пак преодоляват разстояния от десетки до стотици метри (а понякога и повече), събирайки информация от отдалечени площадки или оборудване. Всъщност именно затова шината за обмен, по която контролерът получава стойностите от тези сензори, обикновено се нарича полева шина или по-рядко шина на долния слой или индустриална шина.

Обща схема за автоматизация на индустриален обект

И така, електрическият сигнал от датчика преминава определено разстояние по кабелни линии (по-често по обикновен меден кабел с известно количество жила), към които са свързани няколко датчика. След това сигналът попада в модул за обработка (модул за вход-изход), където той се преобразува в разбираем цифров език за контролера. След това този сигнал чрез полевата шина попада директно в контролера, където се обработва окончателно. Логиката на работа на самия микроконтролер се изгражда на базата на такива сигнали.

Въжен ешалон: от гирлянда до цяла работна станция

Въжен ешалон наричаме всичко онова, до което може да се докосне обикновен оператор, който управлява технологичния процес. В най-простия случай горният етаж представлява набор от лампички и бутони. Лампичките сигнализират на оператора за настъпващи събития в системата, а бутоните служат за подаване на команди към контролера. Често такава система се нарича "гирлянда" или "елха", тъй като изглежда много подобно (както може да се види на снимката в началото на статията).

Ако операторът има по-голям късмет, то като горен ейжон му се предоставя панел на оператора — определен плоскоекранен компютър, който по някакъв начин получава данни за показване от контролера и ги извежда на екрана. Такъв панел обикновено се монтира върху самия шкаф с автоматизация, затова взаимодействието с него обикновено се извършва прав standing, което създава неудобства, плюс качеството и размерът на изображението на малък формат панели оставя много да се желае.

И накрая, атракцията на невидената щедрост — работна станция (или дори няколко дублиращи), представляваща обикновен персонален компютър.

Оборудването на горния етаж е задължено да взаимодейства по някакъв начин с микроконтролера (иначе защо да е необходимо?). За това взаимодействие се използват протоколи на горния етаж и определена среда за предаване, например, Ethernet или UART. В случай на "елха" такива усъвършенствания, разбира се, не са нужни, лампичките се включват с използването на обикновени физически линии, без сложни интерфейси и протоколи.

Всъщност, този връх на нивото е по-малко интересен, отколкото полевата шина, тъй като този връх изобщо може да не съществува (от серията нищо там да не се гледа от оператора, контролерът сам ще разбере какво и как трябва да се направи).

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

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

Първоначално е използван серийният интерфейс за предаване, след което Modbus е реализиран върху TCP/IP. Това е синхронен протокол по схемата «мастер-слейв» (главен-подчинен), в който се използва принципът «запитване-отговор». Протоколът е доста обемен и бавен, скоростта на обмен зависи от характеристиките на приемника и предавателя, но обикновено времето е почти на стотици милисекунди, особено при реализиране чрез серийния интерфейс.

Освен това, регистърът за предаване на данни в Modbus е 16-битов, 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 на широко в случаи, когато не е необходима висока скорост на обмен 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 пак продължава да съществува успешно в съвременния свят.
Протоколът HART също съществува от осемдесетте години, това е индустриален протокол за обмен по двумитна линия на токовата верига, в която директно се включват сензори 4-20 мА и други устройства, поддържащи протокола HART.

За свързване на линиите HART се използват специални устройства, наречени HART-модеми. Съществуват също така преобразуватели, които на изхода предоставят на потребителя вече, да речем, протокол Modbus.

Забележителен HART, може би, с това, че освен аналоговите сигнали от сензорите 4-20 мА, в веригата се предава и цифров сигнал на самия протокол, което позволява да се свържат цифровата и аналоговата част в една кабелна линия. Съвременните HART модеми могат да се свързват в USB порта на контролера, да се свързват чрез Bluetooth или по старомоден начин чрез сериен порт. Десетина години назад, по аналогия с Wi-Fi, се появи и безжичният стандарт WirelessHART, работещ в ISM диапазона.

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

На смяна на протоколите Modbus и HART дойдоха не съвсем промишлени 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 вмъква в така наречения каркас, който осигурява взаимодействие по шината с други устройства. Каркасът, или, както го наричат истинските автоматизатори, „крейта“, се допълва с необходимите платки за вход-изход: аналогови, дискретни, интерфейсни и т.н., или всичко това се събира в такъв вид „сандвич“ без каркас – една платка над друга. След което това многообразие на шината (ISA, PCI и т.н.) обменя данни с процесорния модул, който по този начин получава информация от сензорите и реализира определена логика.

Контролер и модули за вход-изход в каркас PXI на шина PCI. Източник: National Instruments Corporation

Всичко би било наред с тези шини ISA, PCI(e) и VME, особено за онези времена: скоростта на обмен не разочарова, а компонентите на системата са разположени в единен каркас, компактно и удобно; може би няма да има гореща смяна на платките за вход-изход, но все още не е много желателно.

Но има и лъжица катран, и не само една. Разпределената система е доста трудна за изграждане в такава конфигурация, локалната шина за обмен е ограничена, нужно е да се измисли нещо за обмен на данни с други подчинени или равноправни възли, като Modbus върху TCP/IP или друг протокол, опитно казано, удобствата са малко. И вторият не съвсем приятен аспект: платите за вход-изход обикновено очакват на входа някакъв унифициран сигнал и нямат гальванична изолация с полевото оборудване, затова е необходимо да се изградят различни модули за преобразуване и междинна схемотехника, което значително усложнява елементната база.

Промеждинни модули за преобразуване на сигнала с гальванична изолация. Източник: DataForth Corporation

"А какво става с протокола за обмен по индустриалната шина?" — ще питате вие. Ами, нищо. Няма такъв в тази реализация. По кабелните линии сигналът попада от сензорите към преобразувателите на сигнали, преобразувателите предават напрежение на дискретната или аналоговата плата за вход-изход, а данните от платата вече се четат през портовете за вход/изход, чрез средствата на ОС. И без никакви специализирани протоколи.

Как работят съвременните индустриални шини и протоколи

А какво се случва сега? Към днешния ден класическата идеология за изграждане на автоматизирани системи се е променяла малко. Много фактори оказаха влияние, започвайки от това, че автоматизацията трябва да бъде удобна, и стигайки до тенденцията за разпределени автоматизирани системи с раздалечени възли.

Може би, можем да кажем, че основните концепции за изграждане на системи за автоматизация в днешно време са две: локализирани и разпределени автоматизирани системи.

В случай на локализирани системи, където събирането на данни и управлението са централизирани на едно конкретно място, концепцията за набор от модули за вход-изход, свързани помежду си с обща бърза шина, е търсена, включително контролер със собствен протокол за обмен. Обикновено модулите за вход-изход включват и преобразувател на сигнала и гальванична 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 преброи необходимия брой модули за вход-изход 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 модулите за вход-изход и контролера, а вариантите могат да бъдат много.

В случай на разпределени системи важи всичко, което е казано за локализираните системи, освен това е важно отделните компоненти, например набор от модули за вход-изход плюс устройство за събиране и предаване на информация — не много умствен микроконтролер, който се намира някъде в будка на поле, близо до кран, който затваря нефт, — 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 осигуряват доста висока производителност, затова често изборът на конкретен производител е обусловен не от скоростта на обмен по тази промишлена шина. Не е толкова важна и имплементацията на самия протокол, тъй като от гледна точка на разработчика на системата това винаги ще бъде черна кутия, която осигурява определена вътрешна структура на обмена и не е предназначена за външна намеса. Най-често се обръща внимание на практическите характеристики: производителността на изчисляващото устройство, удобството на прилагането на концепцията на производителя към поставената задача, наличието на нужните типове модули за вход-изход, възможността за гореща замяна на модулите без прекъсване на шината и т.н.

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

Има и по-универсални решения, които не са свързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. Ще разгледаме подробно тези протоколи в продължението на статията и ще разберем кои от тях са по-подходящи за конкретни приложения: автомобилната и аерокосмическата индустрия, производството на електроника, системи за позициониране и роботика. Останете на линия!

Източник: habr.com