Určitě mnozí z vás znají nebo dokonce viděli, jak se ovládají velké automatizované objekty, například jaderná elektrárna nebo továrna s mnoha technologickými linkami: hlavní činnost se často odehrává v prostorné místnosti se spoustou obrazovek, světel a ovládacích pultů. Tento komplex řízení se obvykle nazývá GŠU – hlavní řídicí panel pro kontrolu výrobního objektu.
Určitě vás zajímalo, jak to všechno funguje z pohledu hardwaru a softwaru, čím se tyto systémy liší od běžných osobních počítačů. V tomto článku si vysvětlíme, jak různé údaje přicházejí na GŠU, jak se zesilují příkazy k vybavení a co je vlastně potřeba k ovládání kompresorové stanice, zařízení na výrobu propanu, montážní linky automobilů nebo dokonce čerpací stanice.
Spodní úroveň nebo poliová sběrnice – to, odkud vše začíná.
Tento nejasný soubor slov se používá, když je třeba popsat prostředky komunikace mikrořadičů s podřízeným vybavením, například moduly pro vstup a výstup nebo měřicí zařízení. Tento komunikační kanál se obvykle nazývá „poliová sběrnice“, protože se stará o přenos dat k řadiči, která přicházejí z „pole“.
„Pole“ je hluboký odborný termín, který označuje fakt, že určité vybavení (například senzory nebo výkonné mechanizmy), se kterými interaguje řadič, se nachází někde daleko, na venkově, pod nočním pokryvem. A nezáleží na tom, že senzor může být umístěn půl metru od řadiče a například měřit teplotu v rozvodné skříni, stále se považuje, že je „v poli“. Nejčastěji signály ze senzorů, které přicházejí do modulů pro vstup a výstup, překonávají vzdálenosti od desítek do stovek metrů (a někdy i více), shromažďují informace z odlehlých míst nebo vybavení. Právě proto se sběrnice pro přenos dat, po které řadič dostává hodnoty od těchto senzorů, obvykle nazývá poliová sběrnice nebo méně často spodní sběrnice nebo průmyslová sběrnice.
Obecný schéma automatizace průmyslového objektu
Elektrický signál ze snímače putuje určitou vzdálenost po kabelových vedeních (častěji po běžném měděném kabelu s určitým počtem žil), ke kterým se připojuje několik snímačů. Poté signál dorazí do zpracovatelského modulu (modul vstupu a výstupu), kde se převede na kontroleru srozumitelný digitální jazyk. Následně tento signál po poli sběrnice přichází přímo do kontroleru, kde je konečně zpracován. Na základě těchto signálů se vytváří logika fungování samotného mikrokontroléru.
Horní úroveň: od girlandy po celou pracovní stanici
Horní úroveň je vše, co může běžný smrtelník-obsluha dotýkat, který ovládá technologický proces. V nejjednodušším případě horní úroveň představuje soubor světel a tlačítek. Světla signalizují obsluze určité události v systému, tlačítka slouží k odesílání příkazů kontroleru. Takový systém se často nazývá „girlandou“ nebo „stromečkem“, protože vypadá velmi podobně (jak lze vidět na fotografii na začátku článku).
Pokud má obsluha větší štěstí, dostane jako horní úroveň ovládací panel — jakýsi plochý počítač, který tím či oním způsobem získává data k zobrazení od kontroleru a zobrazuje je na obrazovce. Takový panel se obvykle montuje na skříň automatizace, proto s ním obvykle interagují ve stoje, což způsobuje nepohodlí, navíc kvalita a velikost obrázku na malých panelech často zanechává mnoho přání.
A nakonec atrakce nevídané štědrosti — pracovní stanice (nebo několik duplicitních), což je běžný osobní počítač.
Zařízení horní úrovně musí nějakým způsobem spolupracovat s mikrokontrolérem (jinak by k čemu vůbec bylo?). K takové spolupráci se používají protokoly horní úrovně a nějaké přenosové médium, například Ethernet nebo UART. V případě „stromečku“ takové vynalézavosti samozřejmě není potřeba, světla se rozsvěcují pomocí běžných fyzických vedení, žádné složité rozhraní a protokoly tam nejsou.
Obecně řečeno, tato vrstva je méně zajímavá než pole sítě, protože tato vrstva nemusí vůbec existovat (z řady, pro operátora tu není nic k vidění, řídicí jednotka se už sama rozhodne, co a jak má dělat).
"Staré" protokoly přenosu dat: Modbus a HART
Málokdo ví, ale v den sedmý, kdy byl svět stvořen, Bůh neodpočíval, ale vytvářel Modbus. Spolu s protokolem HART je Modbus pravděpodobně nejstarší průmyslový protokol přenosu dat, který se objevil v roce 1979.
Jako médium pro přenos byl zpočátku použit sériový interface, poté byl Modbus implementován nad TCP/IP. Je to synchronní protokol na bázi "master-slave" (hlavní-podřízený), ve kterém je používán princip "dotaz-odpověď". Protokol je poměrně těžkopádný a pomalý, rychlost výměny závisí na charakteristikách přijímače a vysílače, ale obvykle se jedná o stovky milisekund, zejména v implementaci přes sériový interface.
Navíc, registr přenosu dat Modbus je 16-bitový, což okamžitě klade omezení na přenos typů real a double. Ty jsou přenášeny buď po částech, nebo s úbytkem přesnosti. I přes to, že je Modbus dodnes široce používán tam, kde není potřeba vysoká rychlost výměny a ztráta přenášených dat není kritická. Mnoho výrobců různých zařízení rádo rozšiřuje protokol Modbus svým výjimečným a velmi originálním způsobem, přidáváním nestandardních funkcí. Proto tento protokol má mnoho mutací a odchylek od normy, ale přesto stále úspěšně žije v moderním světě.
Protokol HART existuje také od osmdesátých let, je to průmyslový protokol výměny nad dvoudrátovou smyčkou proudu, do které jsou přímo připojeny senzory 4-20 mA a další zařízení podporující protokol HART.
Pro přepínání linek HART se používají speciální zařízení, tzv. HART modemy. Existují také převodníky, které na výstupu uživateli poskytují již například modbus protokol.
HART je zajímavý především tím, že kromě analogových signálů ze senzorů 4-20 mA se přenáší také digitální signál samotného protokolu, což umožňuje spojení digitální a analogové části v jedné kabelové linii. Moderní HART modemy se mohou připojit do USB portu kontroléru, komunikovat prostřednictvím Bluetooth, nebo staromódním způsobem přes sériový port. Před deseti lety se podle vzoru Wi-Fi objevil také bezdrátový standard WirelessHART pracující v ISM pásmu.
Druhá generace protokolů, nebo spíše průmyslové sběrnice ISA, PCI(e) a VME.
Na místo protokolů Modbus a HART přišly téměř průmyslové sběrnice jako ISA (MicroPC, PC/104) nebo PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), a také VME.
Nastala éra výpočetních jednotek, které mají k dispozici univerzální sběrnici pro přenos dat, kam lze připojit různé desky (moduly) pro zpracování jakéhosi unifikovaného signálu. Obvykle je v tomto případě procesorový modul (výpočetní jednotka) zasazen do takzvaného rámu, který zajišťuje interakci po sběrnici s dalšími zařízeními. Rám, nebo, jak ho rádi nazývají praví automatizátoři, "krabice", je doplněn potřebnými vstupně-výstupními deskami: analogovými, diskrétními, rozhraními atd., nebo vše může být slepeno ve formě sendviče bez rámu — jedna deska nad druhou. Po tomto všechno na sběrnici (ISA, PCI atd.) si vyměňuje data s procesorovým modulem, který takto získává informace ze senzorů a realizuje určitou logiku.
Kontrolér a moduly vstupu a výstupu v rámci PXI na sběrnici PCI. Zdroj:
Se sběrnicemi ISA, PCI(e) a VME by nebylo nic špatného, zejména pro tu dobu: nejenže rychlost přenosu neodrazuje, ale komponenty systému jsou umístěny v jednom rámu, kompaktně a pohodlně, žádná horká výměna vstupně-výstupních desek nemusí být, ale zatím se to vůbec nechce.
Ale je tu jedna nepříjemnost, a není to jen jedna. Distribuovaný systém je v takové konfiguraci poměrně složité vybudovat, lokální sběrnice pro výměnu, je potřeba vymyslet něco pro výměnu dat s jinými podřízenými nebo rovnocennými uzly, ten samý Modbus přes TCP/IP nebo nějaký jiný protokol, obecně se nedá nic moc pohodlně udělat. A druhá nepříjemná věc: vstupní a výstupní karty obvykle očekávají nějaký unifikovaný signál na vstupu a nemají galvanické oddělení od pole, takže je potřeba vybudovat z různých převodních modulů a mezikruhové techniky, což značně zkomplikuje základní elementy.
Mezilehlé signální převodní moduly s galvanickým oddělením. Zdroj:
"A co protokol pro výměnu na průmyslové sběrnici?" - zeptáte se. No, nic. V takové implementaci neexistuje. Signál se prostřednictvím kabelových linek dostává z čidel na signální převodníky, které výstupem generují napětí pro diskrétní nebo analogovou vstupní/výstupní kartu, a data z karty jsou čtena prostřednictvím vstupních/výstupních portů operačním systémem. A žádné specializované protokoly.
Jak fungují moderní průmyslové sběrnice a protokoly
A co teď? K dnešnímu dni se klasická ideologie stavby automatizovaných systémů poněkud změnila. Mnoho faktorů sehrálo roli, počínaje tím, že automatizovat by mělo být také pohodlné, a konče tendencí k distribuovaným automatizovaným systémům se vzdálenými uzly.
Snad lze říci, že dnes existují dvě základní koncepce výstavby automatizačních systémů: lokalizované a distribuované automatizované systémy.
V případě lokalizovaných systémů, kde je shromažďování dat a řízení centralizováno na jednom konkrétním místě, se uplatňuje koncept jakéhosi souboru modulů vstupu-výstupu, propojených mezi sebou společnou rychlou sběrnicí, včetně řadiče se svým komunikačním protokolem. Obvykle moduly vstupu-výstupu zahrnují také převodník signálu a galvanickou izolaci (i když to samozřejmě není vždy nutné). To znamená, že konečný uživatel musí pouze pochopit, jaké typy senzorů a mechanismů budou v automatizovaném systému, spočítat požadovaný počet modulů vstupu-výstupu pro různé typy signálů a spojit je do jedné společné linie s řadičem. V tomto případě obvykle každý výrobce používá svůj oblíbený protokol komunikace mezi moduly vstupu-výstupu a řadičem, a možností je zde spousta.
V případě distribuovaných systémů platí vše, co bylo uvedeno v souvislosti s lokalizovanými systémy, kromě toho je důležité, aby jednotlivé komponenty, například soubor modulů vstupu-výstupu plus zařízení pro sběr a přenos informací — poměrně jednoduchý mikrokontrolér, který se nachází kdesi v budce na poli, vedle ventilu, který uzavírá olej — mohly efektivně komunikovat s podobnými uzly a s hlavním řadičem na velké vzdálenosti.
Jak si vývojáři vybírají protokol pro svůj projekt? Všechny moderní komunikační protokoly poskytují poměrně vysokou rychlost, proto je často výběr určitého výrobce dán nejen rychlostí výměny na této průmyslové sběrnici. O to méně důležitá je i implementace samotného protokolu, protože z pohledu vývojáře systému to bude stejně černá skříňka, která zajišťuje určitou vnitřní strukturu výměny a není určena k vnějšímu zásahu. Nejčastěji se zaměřují na praktické charakteristiky: výkon výpočetního zařízení, vhodnost aplikace konceptu výrobce na daný úkol, přítomnost potřebných typů modulů vstupu-výstupu, možnost horké výměny modulů bez přerušení sběrnice atd.
Populární dodavatelé vybavení nabízejí vlastní implementace průmyslových protokolů: například známá společnost Siemens vyvíjí svou řadu protokolů Profinet a Profibus, společnost B&R - protokol Powerlink, Rockwell Automation - protokol EtherNet/IP. Domácí řešení v tomto seznamu příkladů: verze protokolu FBUS od ruské společnosti Fastwel.
Existují i univerzálnější řešení, která nejsou vázána na konkrétního výrobce, jako je EtherCAT a CAN. Tyto protokoly podrobně prozkoumáme v průběhu článku a zjistíme, které z nich jsou nejlépe vhodné pro konkrétní aplikace: automobilový a letecký průmysl, výrobu elektroniky, poziční systémy a robotiku. Zůstaňte s námi!
Zdroj: habr.com
