Sigurno mnogi od vas znaju ili su čak vidjeli kako se upravljaju velikim automatiziranim objektima, na primjer, nuklearna elektrana ili tvornica s mnogo tehnoloških linija: glavna radnja se često odvija u velikoj prostoriji, s gomilom paravana, sijalica i daljinske kontrole. Ovaj kontrolni kompleks se obično naziva glavna kontrolna soba - glavna kontrolna tabla za upravljanje proizvodnim pogonom.
Sigurno ste se pitali kako sve to funkcionira u hardverskom i softverskom smislu, po čemu se ovi sistemi razlikuju od uobičajenih personalnih računara. U ovom članku ćemo pogledati kako različiti podaci dolaze do glavne kontrolne sobe, kako se komande daju opremi i šta je općenito potrebno za upravljanje kompresorskom stanicom, jedinicom za proizvodnju propana, linijom za sklapanje automobila ili čak kanalizaciona pumpna jedinica.
Donji sloj ili sabirnica polja je mjesto gdje sve počinje
Ovaj skup riječi, nejasan za neupućene, koristi se kada je potrebno opisati sredstva komunikacije mikrokontrolera sa podređenom opremom, na primjer, I/O modulima ili mjernim uređajima. Obično se ovaj komunikacioni kanal naziva “sabirnica polja”, jer je odgovoran za prijenos podataka do kontrolera koji dolaze iz “polja”.
“Polje” je duboki stručni termin koji se odnosi na činjenicu da se neka oprema (na primjer, senzori ili aktuatori) s kojom je kontroler u interakciji nalazi negdje daleko, daleko, na ulici, u polju, pod okriljem noći. I nema veze što se senzor može nalaziti na pola metra od kontrolera i mjeriti, recimo, temperaturu u ormaru za automatizaciju, i dalje se smatra da je "na terenu". Najčešće, signali sa senzora koji dolaze do I/O modula i dalje prevladavaju udaljenosti od desetina do stotina metara (a ponekad i više), prikupljajući informacije s udaljenih lokacija ili opreme. Zapravo se, dakle, sabirnica za razmjenu, preko koje kontroler prima vrijednosti od tih istih senzora, obično naziva sabirnicom polja ili, rjeđe, sabirnicom nižeg nivoa ili industrijskom sabirnicom.
Opća shema automatizacije industrijskog objekta
Dakle, električni signal iz senzora putuje određenu udaljenost duž kabelskih vodova (obično duž konvencionalnog bakrenog kabela s određenim brojem jezgri), na koji je spojeno nekoliko senzora. Tada signal ulazi u modul za obradu (ulazno-izlazni modul), gdje se pretvara u digitalni jezik razumljiv kontroleru. Nadalje, ovaj signal ide direktno u kontroler preko field busa, gdje se konačno obrađuje. Na osnovu takvih signala gradi se logika samog mikrokontrolera.
Vrhunski nivo: od vijenca do cijele radne stanice
Najviši nivo je sve što može da dotakne običan smrtni operater koji kontroliše proces. U najjednostavnijem slučaju, gornji nivo je skup sijalica i dugmadi. Sijalice signaliziraju operateru o nekim tekućim događajima u sistemu, dugmad služe za davanje komandi kontroleru. Takav sistem se često naziva "vijenac" ili "božićno drvce" jer izgleda vrlo slično (kao što možete vidjeti na fotografiji na početku članka).
Ako operater ima više sreće, onda će kao najviši nivo dobiti operatersku ploču - neku vrstu ravnog računara koji na neki način prima podatke za prikaz od kontrolera i prikazuje ih na ekranu. Takav panel se obično montira na sam ormarić za automatizaciju, tako da s njim obično morate komunicirati dok stojite, što uzrokuje neugodnosti, a kvaliteta i veličina slike na panelima malog formata ostavlja mnogo želje.
I, konačno, atrakcija neviđene velikodušnosti - radna stanica (ili čak nekoliko duplikata), koja je običan personalni računar.
Oprema najvišeg nivoa mora na neki način komunicirati sa mikrokontrolerom (inače zašto je to potrebno?). Za takvu interakciju koriste se protokoli višeg nivoa i određeni medij za prijenos, na primjer, Ethernet ili UART. U slučaju božićne jelke, naravno, takve dorade nisu potrebne, žarulje se pale pomoću običnih fizičkih linija, tu nema sofisticiranih interfejsa i protokola.
Generalno, ovaj najviši nivo je manje interesantan od terenske magistrale, jer ovaj najviši nivo možda uopšte ne postoji (operater nema šta da gleda iz serije, kontroler će smisliti šta i kako da radi).
"Drevni" protokoli za prijenos podataka: Modbus i HART
Malo ljudi zna, ali sedmog dana stvaranja svijeta Bog nije mirovao, već je stvorio Modbus. Uz HART protokol, Modbus je možda i najstariji industrijski komunikacijski protokol, pojavio se još 1979. godine.
Serijski interfejs je u početku korišćen kao prenosni medij, a zatim je Modbus implementiran preko TCP/IP. Ovo je sinhroni master-slave (master-slave) protokol koji koristi princip zahtjev-odgovor. Protokol je prilično težak i spor, tečaj ovisi o karakteristikama prijemnika i predajnika, ali obično je rezultat skoro stotine milisekundi, posebno kada se implementira preko serijskog interfejsa.
Štaviše, Modbus registar prijenosa podataka je 16-bitni, što odmah nameće ograničenja na prijenos realnih i dvostrukih tipova. Prenose se u dijelovima ili sa gubitkom tačnosti. Iako se Modbus još uvijek široko koristi u slučajevima kada nije potreban visok tečaj i gubitak prenesenih podataka nije kritičan. Mnogi proizvođači raznih uređaja vole da prošire Modbus protokol na svoj jedinstven i vrlo originalan način, dodajući nestandardne karakteristike. Stoga ovaj protokol ima mnogo mutacija i odstupanja od norme, ali i dalje uspješno živi u modernom svijetu.
HART protokol također postoji od 4-ih, to je industrijski komunikacijski protokol preko dvožične strujne petlje koja direktno povezuje odašiljače od 20-XNUMX mA i druge uređaje koji podržavaju HART.
Za prebacivanje HART linija koriste se posebni uređaji, takozvani HART modemi. Postoje i pretvarači koji na izlazu daju korisniku, recimo, Modbus protokol.
HART je vrijedan pažnje, možda, po tome što se, osim analognih signala senzora 4-20 mA, u krugu prenosi i digitalni signal samog protokola, što vam omogućava da povežete digitalne i analogne dijelove u jedan kabel linija. Moderni HART modemi se mogu povezati na USB port kontrolera, povezati preko Bluetooth-a ili na stari način preko serijskog porta. Prije desetak godina, po analogiji s Wi-Fi, pojavio se bežični standard WirelessHART koji radi u ISM opsegu.
Druga generacija protokola ili ne baš industrijske sabirnice ISA, PCI (e) i VME
Modbus i HART protokoli su zamijenjeni neindustrijskim magistralama kao što su ISA (MicroPC, PC/104) ili PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), kao i VME.
Došlo je doba kalkulatora koji imaju na raspolaganju univerzalnu magistralu za prijenos podataka, gdje možete povezati različite ploče (module) za obradu određenog objedinjenog signala. U pravilu se u ovom slučaju procesorski modul (računar) ubacuje u takozvani okvir, koji omogućava interakciju magistrale sa drugim uređajima. Okvir, ili, kako ga pravi automatori vole da zovu, „sanduk“, dopunjen je potrebnim ulazno/izlaznim pločama: analognim, diskretnim, interfejsom itd., ili je sve to zalijepljeno zajedno u obliku sendviča bez okvir - jedna daska iznad druge. Nakon toga, ovaj varijetet na magistrali (ISA, PCI, itd.) komunicira sa procesorskim modulom, koji na taj način prima informacije od senzora i implementira neku vrstu logike.
Kontroler i I/O moduli u PXI okviru na PCI magistrali. Izvor:
Sve bi bilo u redu sa ovim ISA, PCI (e) i VME sabirnicama, posebno za ta vremena: kurs se ne poremeti, a komponente sistema su smeštene u jednom okviru, kompaktne i zgodne, možda neće biti vruće zamene I/O kartice, ali još uvijek ne želim.
Ali postoji muva u masti, i to ne jedna. Prilično je teško izgraditi distribuirani sistem u takvoj konfiguraciji, sabirnica za razmjenu je lokalna, treba smisliti nešto za razmjenu podataka sa drugim slave ili peer čvorovima, istim Modbusom preko TCP/IP ili nekim drugim protokolom, u generalno, nema dovoljno pogodnosti. Pa, druga stvar nije baš prijatna: I/O ploče obično čekaju neki objedinjeni signal za ulaz, a nemaju galvansku izolaciju sa terenskom opremom, tako da morate ograditi baštu od raznih modula za konverziju i srednjih kola, što uvelike komplikuje bazu elemenata.
Moduli za konverziju srednjeg signala sa galvanskom izolacijom. Izvor:
“Šta je sa komunikacijskim protokolom sabirnice polja?” - pitate. Ali ništa. Ne postoji u ovoj implementaciji. Preko kablovskih vodova signal ide od senzora do pretvarača signala, pretvarači izlaze napon na diskretnu ili analognu I/O ploču, a podaci sa ploče se već čitaju kroz I/O portove, pomoću OS-a. . I nema specijalizovanih protokola.
Kako funkcionišu moderne industrijske magistrale i protokoli
Šta sad? Do danas se klasična ideologija izgradnje automatiziranih sistema malo promijenila. Mnogi faktori su igrali ulogu, od činjenice da bi trebalo da bude i zgodno za automatizaciju, pa do trenda ka distribuiranim automatizovanim sistemima sa čvorovima udaljenim jedan od drugog.
Možda možemo reći da danas postoje dva glavna koncepta za sisteme automatizacije zgrada: lokalizovani i distribuirani automatizovani sistemi.
U slučaju lokalizovanih sistema, gde su prikupljanje i upravljanje podacima centralizovani na jednom određenom mestu, tražen je koncept određenog skupa I/O modula međusobno povezanih zajedničkom brzom magistralom, uključujući i kontroler sa sopstvenim protokolom razmene. U ovom slučaju, u pravilu, I / O moduli uključuju i pretvarač signala i galvansku izolaciju (iako, naravno, ne uvijek). Odnosno, dovoljno je da krajnji korisnik shvati koji će tipovi senzora i mehanizama biti prisutni u automatiziranom sistemu, izbrojati broj potrebnih I/O modula za različite vrste signala i povezati ih u jednu zajedničku liniju s kontrolerom. . U ovom slučaju, u pravilu, svaki proizvođač koristi svoj omiljeni protokol razmjene između I/O modula i kontrolera, a opcija može biti puno.
U slučaju distribuiranih sistema tačno je sve što je rečeno o lokalizovanim sistemima, osim ovoga, važno je da pojedinačne komponente, na primer, set I/O modula plus uređaj za prikupljanje i prenos informacija – ne baš pametni mikrokontroler koji stoji negdje u kabini na terenu, pored dizalice koja isključuje ulje, mogao bi komunicirati sa istim čvorovima i sa glavnim kontrolerom na velikoj udaljenosti uz efektivni kurs.
Kako programeri biraju protokol za svoj projekat? Svi moderni protokoli razmjene pružaju prilično veliku brzinu, tako da često izbor određenog proizvođača nije određen tečajem na ovom istom industrijskom autobusu. Implementacija samog protokola nije toliko bitna, jer će, sa stanovišta programera sistema, i dalje biti crna kutija, koja obezbeđuje neku unutrašnju strukturu razmene i nije dizajnirana za spoljne smetnje. Najčešće se pažnja poklanja praktičnim karakteristikama: performansama kalkulatora, praktičnosti primjene koncepta proizvođača na zadatak, dostupnosti potrebnih tipova ulazno-izlaznih modula, mogućnosti zamjene modula bez prekidanja sabirnice. , itd.
Popularni proizvođači opreme nude sopstvene implementacije industrijskih protokola: na primer, poznata kompanija Siemens razvija svoju seriju Profinet i Profibus protokola, B&R razvija Powerlink protokol, Rockwell Automation razvija EtherNet/IP protokol. Domaće rješenje u ovoj listi primjera: verzija FBUS protokola ruske kompanije Fastwel.
Postoje i univerzalnija rješenja koja nisu vezana za određenog proizvođača, kao što su EtherCAT i CAN. Kasnije ćemo u ovom članku detaljno istražiti ove protokole i vidjeti koji su najprikladniji za specifične primjene: automobilska industrija, aeronautika, elektronika, sistemi za pozicioniranje i robotika. Ostati u kontaktu!
izvor: www.habr.com