Di sicuru, assai di voi sapete o avete ancu vistu cumu grandi oggetti automatizati sò cuntrullati, per esempiu, una centrale nucleare o una fabbrica cù parechje linee di produzzione: l'azzione principale spessu si svolge in una stanza grande, cù una mansa di schermi, lampadine. è cuntrolli remoti. Stu cumplessu di cuntrollu hè di solitu chjamatu a sala di cuntrollu principale - u pannellu di cuntrollu principale per u seguimentu di u stabilimentu di produzzione.
Sicuramente vi dumandavate cumu si travaglia tuttu in termini di hardware è software, cumu questi sistemi sò diffirenti di l'urdinatori persunali cunvinziunali. In questu articulu, guardemu cumu parechji dati ghjunghjenu à a sala di cuntrollu principale, cumu i cumandamenti sò mandati à l'equipaggiu, è ciò chì hè generalmente necessariu per cuntrullà una stazione di compressore, una pianta di pruduzzione di propanu, una linea di assemblaggio di vittura, o ancu una pianta di pompa di fognaria.
U livellu più bassu o fieldbus hè induve tuttu principia
Questu inseme di parolle, micca chjaru à i micca iniziati, hè utilizatu quandu hè necessariu di discrìviri i mezi di cumunicazione trà i microcontrollers è l'equipaggiu subordinatu, per esempiu, moduli I / O o dispusitivi di misurazione. Di genere, stu canale di cumunicazione hè chjamatu "bus di campu" perchè hè rispunsevule per trasmette e dati chì venenu da u "campu" à u controller.
"Campiu" hè un termu prufessiunale prufondu chì si riferisce à u fattu chì certi equipaghji (per esempiu, sensori o attuatori) cù quale u controller interagisce si trova in un locu luntanu, luntanu, in a strada, in i campi, sottu a cuperta di notte. . È ùn importa micca chì u sensoru pò esse situatu à mezu metru da u controller è misurà, per dì, a temperatura in un armariu d'automatizazione, hè sempre cunsideratu chì hè "in u campu". A maiò spessu, i segnali da i sensori chì arrivanu à i moduli I / O viaghjanu sempre distanze da decine à centinaie di metri (è à volte più), raccogliendu infurmazioni da siti o equipaghji remoti. In realtà, hè per quessa chì u bus di scambiu, attraversu quale u controller riceve valori da sti stessi sensori, hè di solitu chjamatu bus di campu o, menu cumunimenti, bus di livellu più bassu o bus industriale.
Schema generale di l'automatizazione di un stabilimentu industriale
Allora, u segnu elettricu da u sensoru viaghja una certa distanza longu i fili di cable (di solitu longu un cable di cobre regulare cù un certu numaru di nuclei), à quale parechji sensori sò cunnessi. U signale entra in u modulu di trasfurmazioni (modulu di input / output), induve hè cunvertitu in una lingua digitale chì capisce u controller. In seguitu, stu signalu via u bus di campu va direttamente à u controller, induve hè infine processatu. Basatu nantu à tali signali, a logica operativa di u microcontroller stessu hè custruitu.
Livellu superiore: da una ghirlanda à una stazione di travagliu sana
U livellu superiore hè chjamatu tuttu ciò chì pò esse toccu da un operatore mortale ordinariu chì cuntrola u prucessu tecnologicu. In u casu più simplice, u livellu più altu hè un set di luci è buttoni. I lampadine signalanu l'operatore annantu à certi avvenimenti chì si verificanu in u sistema, i buttoni sò usati per emette cumandamenti à u controller. Stu sistema hè spessu chjamatu "ghirlanda" o "arbre di Natale" perchè pare assai simili (cum'è pudete vede da a foto à u principiu di l'articulu).
Se l'operatore hè più furtunatu, allora, cum'è u livellu più altu, riceverà un pannellu operatore - un tipu di computer flat-panel chì in un modu o un altru riceve dati per a visualizazione da u controller è mostra nantu à u screnu. Un tali pannellu hè di solitu muntatu nantu à l'armadiu di l'automatizazione stessu, perchè di solitu avete interagisce cun ellu mentre stava, chì provoca inconvenienza, più a qualità è a dimensione di l'imaghjini nantu à i pannelli di formate chjucu lascianu assai per esse desideratu.
È infine, una attrazione di generosità senza precedente - una stazione di travagliu (o ancu parechji duplicati), chì hè un urdinatore persunale ordinariu.
L'equipaggiu di livellu superiore deve interagisce in qualchì modu cù u microcontroller (altrimenti perchè hè necessariu?). Per tali interazzione, i protokolli di livellu superiore è un certu mediu di trasmissione sò usati, per esempiu, Ethernet o UART. In u casu di "l'arbre di Natale", tali sufisticazioni, sicuru, ùn sò micca necessarii; i lampadini sò illuminati cù linee fisiche ordinarie, ùn ci sò micca interfacce o protokolli sofisticati.
In generale, stu livellu superiore hè menu interessante di l'autobus di campu, postu chì stu livellu superiore pò esse micca esistitu in tuttu (ùn ci hè nunda per l'operatore per fighjà da a serie; u controller stessu capisce ciò chì deve esse fattu è cumu. ).
Protocolli di trasferimentu di dati "antichi": Modbus è HART
Pochi persone sanu, ma u settimu ghjornu di a creazione di u mondu, Diu ùn hà micca riposu, ma hà creatu Modbus. Inseme à u protocolu HART, Modbus hè forse u più anticu protocolu di trasferimentu di dati industriale; hè apparsu in u 1979.
L'interfaccia seriale hè stata aduprata inizialmente cum'è un mediu di trasmissione, dopu Modbus hè statu implementatu nantu à TCP / IP. Questu hè un protokollu master-slave sincronu (master-slave) chì usa u principiu di dumanda-risposta. U protokollu hè abbastanza ingombrante è lento, a velocità di scambiu dipende da e caratteristiche di u receptore è di u trasmettitore, ma di solitu u conte hè quasi centinaia di millisecondi, soprattuttu quandu implementatu via una interfaccia seriale.
Inoltre, u registru di trasferimentu di dati Modbus hè 16-bit, chì impone immediatamente restrizioni à u trasferimentu di tipi reali è doppiu. Sò trasmessi in parte o cù perdita di precisione. Ancu Modbus hè sempre largamente utilizatu in i casi induve l'alta velocità di cumunicazione ùn hè micca necessariu è a perdita di dati trasmessi ùn hè micca criticu. Parechji pruduttori di parechji dispositi piace à espansione u protocolu Modbus in u so propiu modu esclusivu è assai originale, aghjunghjendu funzioni non standard. Per quessa, stu protokollu hà parechje mutazioni è deviazioni da a norma, ma sempre vive in u mondu mudernu.
U protokollu HART hè statu ancu da l'anni ottanta, hè un protokollu di cumunicazione industriale nantu à una linea di loop currente à dui fili chì cunnetta direttamente sensori 4-20 mA è altri dispositi HART.
Per cambià e linee HART, i dispositi speciali, chjamati modem HART, sò usati. Ci sò ancu cunvertitori chì furniscenu à l'utilizatori, per dì, u protocolu Modbus à l'output.
HART hè forse notu per u fattu chì in più di i signali analogichi di i sensori 4-20 mA, u signale digitale di u protokollu stessu hè ancu trasmessu in u circuitu, questu permette di cunnette e parti digitale è analogica in una linea di cable. I modem HART muderni ponu esse cunnessi à u portu USB di u controller, cunnessi via Bluetooth, o in modu anticu via un portu seriale. Una decina d'anni fà, per analogia cù Wi-Fi, apparsu u standard wireless WirelessHART, chì opera in a gamma ISM.
Seconda generazione di protokolli o micca abbastanza industriali bus ISA, PCI(e) è VME
I protokolli Modbus è HART sò stati rimpiazzati da busi micca abbastanza industriali, cum'è ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), è ancu VME.
Hè ghjunta l'era di l'urdinatori chì anu à a so dispusizione un bus di dati universale, induve diverse schede (moduli) ponu esse cunnessi per processà un certu signalu unificatu. Comu regula, in questu casu, u modulu di u processatore (urdinatore) hè inseritu in u quadru chjamatu, chì assicura l'interazzione via l'autobus cù l'altri dispositi. U quadru, o, cum'è veri sperti di l'automatizazione piace à chjamà, "crate", hè cumplementatu cù e schede input-output necessarie: analogica, discreta, interfaccia, etc., o tuttu questu hè riunitu in forma di un sandwich senza. un quadru - una tavola sopra l'altru. Dopu questu, sta varietà nantu à u bus (ISA, PCI, etc.) scambia dati cù u modulu di u processatore, chì cusì riceve infurmazioni da i sensori è implementa una certa logica.
Controller è moduli I/O in un frame PXI in un bus PCI. Fonte:
Tuttu saria bè cù questi busi ISA, PCI(e) è VME, soprattuttu per quelli tempi: a velocità di scambiu ùn hè micca deludente, è i cumpunenti di u sistema sò situati in un unicu quadru, compactu è cunvene, ùn pò micca esse hot-swappable. I / O carte, ma ùn vogliu micca veramente.
Ma ci hè una mosca in l'unguentu, è più di una. Hè abbastanza difficiuli di custruisce un sistema distribuitu in una tale cunfigurazione, l'autobus di scambiu hè locale, avete bisognu di qualcosa per scambià dati cù altri nodi schiavi o pari, u stessu Modbus nantu à TCP / IP o qualchì altru protokollu, in generale, ùn ci sò abbastanza cunvenzioni. Ebbè, a seconda cosa micca assai piacevule: i bordi I / O di solitu aspettanu qualchì tipu di signale unificatu cum'è input, è ùn anu micca isolamentu galvanicu da l'equipaggiu di campu, cusì avete bisognu di recintà un giardinu di diversi moduli di cunversione è circuiti intermedii, chì cumplicà assai a basa di l'elementu.
Moduli di cunversione di signali intermedi cù isolamentu galvanicu. Fonte:
"E u protocolu di l'autobus industriale?" - dumandu. Nunda. Ùn esiste micca in questa implementazione. Per mezu di e linee di cable, u signale viaghja da i sensori à i cunvertitori di signali, i cunvertitori furniscenu a tensione à una scheda I/O discreta o analogica, è i dati da u bordu sò digià letti attraversu i porti I/O cù l'OS. È senza protokolli specializati.
Cumu funziona l'autobus è i protokolli industriali muderni
Chì avà ? A data, l'ideulugia classica di custruì sistemi automatizati hà cambiatu pocu. Parechji fattori anu ghjucatu un rolu, cuminciendu cù u fattu chì l'automatizazione deve esse ancu cunvene, è finiscinu cù a tendenza versu i sistemi automatizati distribuiti cù nodi remoti l'una di l'altru.
Forsi pudemu dì chì ci sò dui cuncetti principali per i sistemi di automatizazione di custruzzione oghje: sistemi automatizati localizzati è distribuiti.
In u casu di sistemi localizzati, induve a cullizzioni di dati è u cuntrollu sò centralizzati in un locu specificu, u cuncettu di un certu settore di moduli di input / output interconnessi da un bus rapidu cumuni, cumpresu un controller cù u so propiu protocolu di scambiu, hè in dumanda. In questu casu, in regula, i moduli I / O includenu un cunvertitore di signale è un isolamentu galvanicu (ancu, sicuru, micca sempre). Vale à dì, hè abbastanza per l'utilizatori finali per capiscenu chì tippi di sensori è miccanismi seranu prisenti in u sistema automatizatu, cuntate u numeru di moduli di input / output necessarii per diversi tipi di signali è cunnetta in una linea cumuna cù u controller. . In questu casu, in regula, ogni fabricatore usa u so protokollu di scambiu favuritu trà i moduli I / O è u controller, è ci ponu esse assai opzioni quì.
In u casu di sistemi distribuiti, tuttu ciò chì si dice in relazione à i sistemi localizzati hè veru, in più, hè impurtante chì i cumpunenti individuali, per esempiu, un inseme di moduli input-output plus un dispositivu per cullà è trasmette infurmazioni - un micca. microcontroller assai intelligente chì si trova in un locu in una cabina in u campu, accantu à a valvula chì chjude l'oliu - puderia interagisce cù i stessi nodi è cù u controller principale à una grande distanza cun un scambiu efficace.
Cumu i sviluppatori sceglienu un protokollu per u so prughjettu? Tutti i protokolli di scambiu muderni furnisce un rendimentu abbastanza altu, cusì l'scelta di unu o un altru fabricatore ùn hè micca spessu determinata da u tassu di scambiu nantu à questu autobus assai industriale. L'implementazione di u protocolu stessu ùn hè micca cusì impurtante, perchè, da u puntu di vista di u sviluppatore di u sistema, serà sempre una scatula negra chì furnisce una certa struttura di scambiu internu è ùn hè micca pensatu per l'interferenza esterna. A maiò spessu, l'attenzione hè pagata à e caratteristiche pratiche: a prestazione di l'urdinatore, a facilità di applicà u cuncettu di u fabricatore à u compitu in manu, a dispunibilità di i tipi di moduli I / O richiesti, a capacità di moduli scambiabili in caldu senza rompe. l'autobus, ecc.
I fornitori d'equipaggiu populari offrenu e so propiu implementazioni di protokolli industriali: per esempiu, a famosa cumpagnia Siemens sviluppa a so serie di protokolli Profinet è Profibus, B&R sviluppa u protocolu Powerlink, Rockwell Automation sviluppa u protocolu EtherNet/IP. Una suluzione domestica in questa lista di esempi: una versione di u protocolu FBUS da a cumpagnia russa Fastwel.
Ci hè ancu più suluzioni universali chì ùn sò micca ligati à un fabricatore specificu, cum'è EtherCAT è CAN. Analizemu questi protokolli in dettagliu in a continuazione di l'articulu è scopre quale di elli sò più adattati per applicazioni specifiche: industrie automobilistica è aerospaziale, fabricazione elettronica, sistemi di posizionamentu è robotica. Mantene in cuntattu!
Source: www.habr.com