Segur que molts de vosaltres coneixeu o fins i tot heu vist com es controlen objectes automatitzats de grans dimensions, per exemple, una central nuclear o una fàbrica amb moltes línies de producció: l'acció principal passa sovint en una sala gran, amb un munt de pantalles, bombetes. i comandaments a distància. Aquest complex de control se sol anomenar sala de control principal: el panell de control principal per supervisar la instal·lació de producció.
Segur que us preguntareu com funciona tot pel que fa a maquinari i programari, com es diferencien aquests sistemes dels ordinadors personals convencionals. En aquest article, veurem com arriben diverses dades a la sala de control principal, com s'envien les ordres a l'equip i què es necessita generalment per controlar una estació de compressors, una planta de producció de propà, una línia de muntatge d'automòbils o fins i tot una planta de bombeig de clavegueram.
El nivell més baix o bus de camp és on tot comença
Aquest conjunt de paraules, poc clares per als no iniciats, s'utilitza quan cal descriure els mitjans de comunicació entre microcontroladors i equips subordinats, per exemple, mòduls d'E/S o dispositius de mesura. Normalment, aquest canal de comunicació s'anomena "bus de camp" perquè s'encarrega de transmetre les dades que provenen del "camp" al controlador.
"Campo" és un terme professional profund que fa referència al fet que alguns equips (per exemple, sensors o actuadors) amb els quals interactua el controlador es troben en algun lloc llunyà, llunyà, al carrer, als camps, a l'abric de la nit. . I no importa que el sensor es pugui situar a mig metre del controlador i mesura, per exemple, la temperatura en un armari d'automatització, encara es considera que està "al camp". Molt sovint, els senyals dels sensors que arriben als mòduls d'E/S encara recorren distàncies de desenes a centenars de metres (i de vegades més), recopilant informació de llocs o equips remots. En realitat, per això el bus d'intercanvi, a través del qual el controlador rep els valors d'aquests mateixos sensors, s'acostuma a denominar bus de camp o, menys habitualment, bus de nivell inferior o bus industrial.
Esquema general d'automatització d'una instal·lació industrial
Per tant, el senyal elèctric del sensor recorre una certa distància al llarg de les línies de cable (generalment al llarg d'un cable de coure normal amb un cert nombre de nuclis), als quals estan connectats diversos sensors. A continuació, el senyal entra al mòdul de processament (mòdul d'entrada/sortida), on es converteix en un llenguatge digital comprensible pel controlador. A continuació, aquest senyal a través del bus de camp va directament al controlador, on finalment es processa. A partir d'aquests senyals, es construeix la lògica de funcionament del propi microcontrolador.
Nivell superior: des d'una garlanda fins a una estació de treball sencera
El nivell superior s'anomena tot allò que pot ser tocat per un operador mortal normal que controla el procés tecnològic. En el cas més senzill, el nivell superior és un conjunt de llums i botons. Les bombetes indiquen a l'operador certs esdeveniments que ocorren al sistema, els botons s'utilitzen per emetre ordres al controlador. Aquest sistema sovint s'anomena "garlanda" o "arbre de Nadal" perquè s'assembla molt (com podeu veure a la foto de l'inici de l'article).
Si l'operador té més sort, com a nivell superior obtindrà un panell d'operador: una mena d'ordinador de pantalla plana que d'una manera o altra rep dades per mostrar-les del controlador i les mostra a la pantalla. Aquest panell sol estar muntat al propi gabinet d'automatització, de manera que normalment s'ha d'interaccionar amb ell dempeus, la qual cosa causa molèsties, a més la qualitat i la mida de la imatge en panells de petit format deixa molt a desitjar.
I, finalment, una atracció d'una generositat sense precedents: una estació de treball (o fins i tot diversos duplicats), que és un ordinador personal normal.
Els equips de nivell superior han d'interaccionar d'alguna manera amb el microcontrolador (en cas contrari, per què és necessari?). Per a aquesta interacció, s'utilitzen protocols de nivell superior i un mitjà de transmissió determinat, per exemple, Ethernet o UART. En el cas d'un "arbre de Nadal", aquestes sofisticacions, per descomptat, no són necessàries; les bombetes s'encenen mitjançant línies físiques normals, no hi ha interfícies ni protocols sofisticats.
En general, aquest nivell superior és menys interessant que el bus de camp, ja que és possible que aquest nivell superior no existeixi en absolut (no hi ha res que l'operador pugui mirar des de la sèrie; el controlador mateix esbrinarà què s'ha de fer i com ).
Protocols de transferència de dades “antics”: Modbus i HART
Poca gent ho sap, però el setè dia de la creació del món, Déu no va descansar, sinó que va crear Modbus. Juntament amb el protocol HART, Modbus és potser el protocol de transferència de dades industrial més antic; va aparèixer el 1979.
La interfície sèrie es va utilitzar inicialment com a mitjà de transmissió, després es va implementar Modbus sobre TCP/IP. Aquest és un protocol síncron mestre-esclau (mestre-esclau) que utilitza el principi de petició-resposta. El protocol és bastant feixuc i lent, la velocitat d'intercanvi depèn de les característiques del receptor i transmissor, però normalment el recompte és de gairebé centenars de mil·lisegons, sobretot quan s'implementa mitjançant una interfície sèrie.
A més, el registre de transferència de dades Modbus és de 16 bits, la qual cosa imposa immediatament restriccions a la transferència de tipus real i doble. Es transmeten per parts o amb pèrdua de precisió. Tot i que Modbus encara s'utilitza àmpliament en els casos en què no es necessiten altes velocitats de comunicació i la pèrdua de dades transmeses no és crítica. A molts fabricants de diversos dispositius els agrada ampliar el protocol Modbus de la seva manera exclusiva i molt original, afegint funcions no estàndard. Per tant, aquest protocol té moltes mutacions i desviacions de la norma, però encara viu amb èxit al món modern.
El protocol HART també existeix des dels anys vuitanta, és un protocol de comunicacions industrials sobre una línia de bucle de corrent de dos cables que connecta directament sensors de 4-20 mA i altres dispositius habilitats per HART.
Per canviar les línies HART, s'utilitzen dispositius especials, els anomenats mòdems HART. També hi ha convertidors que proporcionen a l'usuari, per exemple, el protocol Modbus a la sortida.
HART potser destaca pel fet que, a més dels senyals analògics dels sensors de 4-20 mA, el senyal digital del propi protocol també es transmet al circuit, això us permet connectar les parts digitals i analògiques en una línia de cable. Els mòdems HART moderns es poden connectar al port USB del controlador, connectar-se mitjançant Bluetooth o de manera antiga mitjançant un port sèrie. Fa una dotzena d'anys, per analogia amb la Wi-Fi, va aparèixer l'estàndard sense fil WirelessHART, que funcionava a la gamma ISM.
Segona generació de protocols o busos poc industrials ISA, PCI(e) i VME
Els protocols Modbus i HART han estat substituïts per busos no gaire industrials, com ara ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), així com VME.
Ha arribat l'era dels ordinadors que tenen a la seva disposició un bus de dades universal, on es poden connectar diverses plaques (mòduls) per processar un determinat senyal unificat. Per regla general, en aquest cas, el mòdul del processador (ordinador) s'insereix a l'anomenat marc, que garanteix la interacció a través del bus amb altres dispositius. El marc, o, com els agrada anomenar els veritables experts en automatització, "caixa", es complementa amb les plaques d'E/S necessàries: analògica, discreta, interfície, etc., o tot això s'ajunta en forma d'entrepà sense un marc: un tauler sobre l'altre. Després d'això, aquesta varietat al bus (ISA, PCI, etc.) intercanvia dades amb el mòdul del processador, que així rep informació dels sensors i implementa alguna lògica.
Controlador i mòduls d'E/S en una trama PXI en un bus PCI. Font:
Tot aniria bé amb aquests busos ISA, PCI(e) i VME, especialment per a aquells moments: la velocitat d'intercanvi no és decebedora i els components del sistema es troben en un únic fotograma, compacte i còmode, és possible que no hi hagi canvis en calent. Targetes d'E/S, però encara no vull fer-ho.
Però hi ha una mosca a la pomada, i més d'una. És bastant difícil construir un sistema distribuït en aquesta configuració, el bus d'intercanvi és local, cal que trobeu alguna cosa per intercanviar dades amb altres nodes esclaus o iguals, el mateix Modbus sobre TCP/IP o algun altre protocol, en general, no hi ha prou comoditats. Bé, la segona cosa no gaire agradable: les plaques d'E/S solen esperar algun tipus de senyal unificat com a entrada i no tenen aïllament galvànic dels equips de camp, de manera que cal fer una tanca amb diversos mòduls de conversió i circuits intermedis, cosa que complica molt la base de l'element.
Mòduls de conversió de senyal intermedi amb aïllament galvànic. Font:
"I el protocol d'autobús industrial?" - demanes. Res. No existeix en aquesta implementació. A través de línies de cable, el senyal viatja des dels sensors als convertidors de senyal, els convertidors subministren tensió a una placa d'E/S analògica o discreta i les dades de la placa ja es llegeixen a través dels ports d'E/S mitjançant el sistema operatiu. I sense protocols especialitzats.
Com funcionen els autobusos i protocols industrials moderns
Ara què? Fins ara, la ideologia clàssica de construir sistemes automatitzats ha canviat una mica. Molts factors van jugar un paper, començant pel fet que l'automatització també hauria de ser convenient, i acabant amb la tendència a sistemes automatitzats distribuïts amb nodes allunyats entre si.
Potser podem dir que hi ha dos conceptes principals per als sistemes d'automatització d'edificis actuals: sistemes automatitzats localitzats i distribuïts.
En el cas dels sistemes localitzats, on la recollida i el control de dades estan centralitzats en una ubicació específica, es demanda el concepte d'un determinat conjunt de mòduls d'entrada/sortida interconnectats per un bus ràpid comú, inclòs un controlador amb el seu propi protocol d'intercanvi. En aquest cas, per regla general, els mòduls d'E/S inclouen tant un convertidor de senyal com un aïllament galvànic (tot i que, per descomptat, no sempre). És a dir, n'hi ha prou que l'usuari final entengui quins tipus de sensors i mecanismes hi haurà al sistema automatitzat, compta el nombre de mòduls d'entrada/sortida necessaris per a diferents tipus de senyals i els connecta en una línia comuna amb el controlador. . En aquest cas, per regla general, cada fabricant utilitza el seu protocol d'intercanvi preferit entre els mòduls d'E/S i el controlador, i aquí hi pot haver moltes opcions.
En el cas dels sistemes distribuïts, tot el que es diu en relació amb els sistemes localitzats és cert, a més, és important que els components individuals, per exemple, un conjunt de mòduls d'entrada-sortida més un dispositiu per recollir i transmetre informació, no microcontrolador molt intel·ligent que es troba en algun lloc d'una cabina al camp, al costat de la vàlvula que tanca l'oli, podria interactuar amb els mateixos nodes i amb el controlador principal a gran distància amb un tipus de canvi efectiu.
Com trien els desenvolupadors un protocol per al seu projecte? Tots els protocols d'intercanvi moderns ofereixen un rendiment força elevat, de manera que l'elecció d'un o altre fabricant sovint no està determinada pel tipus de canvi d'aquest bus tan industrial. La implementació del protocol en si no és tan important, perquè, des del punt de vista del desenvolupador del sistema, seguirà sent una caixa negra que proporciona una determinada estructura d'intercanvi intern i no està dissenyada per a interferències externes. Molt sovint, es presta atenció a les característiques pràctiques: el rendiment de l'ordinador, la facilitat d'aplicar el concepte del fabricant a la tasca en qüestió, la disponibilitat dels tipus de mòduls d'E/S requerits, la capacitat d'intercanviar mòduls en calent sense trencar-se. l'autobús, etc.
Els proveïdors d'equips populars ofereixen les seves pròpies implementacions de protocols industrials: per exemple, la coneguda empresa Siemens està desenvolupant la seva sèrie de protocols Profinet i Profibus, B&R desenvolupa el protocol Powerlink, Rockwell Automation està desenvolupant el protocol EtherNet/IP. Una solució domèstica en aquesta llista d'exemples: una versió del protocol FBUS de l'empresa russa Fastwel.
També hi ha solucions més universals que no estan lligades a un fabricant concret, com EtherCAT i CAN. Analitzarem aquests protocols en detall a la continuació de l'article i esbrinarem quins d'ells són més adequats per a aplicacions específiques: indústries de l'automoció i aeroespacial, fabricació d'electrònica, sistemes de posicionament i robòtica. Estar en contacte!
Font: www.habr.com