Jistě mnozí z vás vědí nebo dokonce viděli, jak velké automatizované objekty jsou ovládány, například jaderná elektrárna nebo továrna s mnoha výrobními linkami: hlavní děj se často odehrává ve velké místnosti, s hromadou obrazovek, žárovek a dálkových ovladačů. Tento řídicí komplex se obvykle nazývá hlavní velín - hlavní ovládací panel pro monitorování výrobního zařízení.
Jistě vás zajímalo, jak to všechno po hardwarové a softwarové stránce funguje, čím se tyto systémy liší od běžných osobních počítačů. V tomto článku se podíváme na to, jak se různá data dostávají do hlavního dispečinku, jak se posílají příkazy do zařízení a co je obecně potřeba k řízení kompresorové stanice, závodu na výrobu propanu, montážní linky automobilů nebo dokonce kanalizační čerpací stanice.
Nejnižší úroveň neboli fieldbus je tam, kde to všechno začíná
Tato sada slov, pro nezasvěcené, nejasná, se používá, když je nutné popsat prostředky komunikace mezi mikrokontroléry a podřízenými zařízeními, například I/O moduly nebo měřicí zařízení. Obvykle se tento komunikační kanál nazývá „sběrnice pole“, protože je zodpovědný za přenos dat, která přicházejí z „pole“ do řídicí jednotky.
„Pole“ je hluboký odborný termín, který odkazuje na skutečnost, že některá zařízení (například senzory nebo akční členy), se kterými regulátor interaguje, se nacházejí někde daleko, daleko, na ulici, v polích, pod rouškou noci. . A nezáleží na tom, že senzor může být umístěn půl metru od ovladače a měřit například teplotu v automatizační skříni, stále se má za to, že je „v terénu“. Nejčastěji signály ze senzorů přicházejících do I/O modulů stále přecházejí na vzdálenosti od desítek do stovek metrů (a někdy i více) a shromažďují informace ze vzdálených míst nebo zařízení. Ve skutečnosti proto ústředna, přes kterou regulátor přijímá hodnoty ze stejných senzorů, se obvykle nazývá sběrnice pole nebo méně často sběrnice nižší úrovně nebo průmyslová sběrnice.
Obecné schéma automatizace průmyslového zařízení
Elektrický signál ze snímače tedy urazí určitou vzdálenost po kabelových vedeních (obvykle po běžném měděném kabelu s určitým počtem žil), ke kterému je připojeno několik snímačů. Signál pak vstupuje do modulu zpracování (vstupně/výstupního modulu), kde je převeden do digitálního jazyka srozumitelného pro řídicí jednotku. Dále tento signál přes sběrnici pole jde přímo do regulátoru, kde je nakonec zpracován. Na základě takových signálů je postavena provozní logika samotného mikrokontroléru.
Nejvyšší úroveň: od girlandy po celou pracovní stanici
Horní úrovní se nazývá vše, čeho se může dotknout běžný smrtelný operátor, který ovládá technologický proces. V nejjednodušším případě je nejvyšší úrovní sada světel a tlačítek. Žárovky signalizují obsluze určité události vyskytující se v systému, tlačítka slouží k vydávání příkazů ovladači. Tento systém se často nazývá „věnec“ nebo „vánoční stromeček“, protože vypadá velmi podobně (jak můžete vidět z fotografie na začátku článku).
Pokud bude mít operátor větší štěstí, pak jako nejvyšší úroveň dostane operátorský panel - jakýsi plochý počítač, který tak či onak přijímá data pro zobrazení z ovladače a zobrazuje je na obrazovce. Takový panel je obvykle namontován na samotné automatizační skříni, takže s ním obvykle musíte pracovat ve stoje, což způsobuje nepříjemnosti a navíc kvalita a velikost obrazu na maloformátových panelech ponechává mnoho přání.
A nakonec atrakce nebývalé štědrosti - pracovní stanice (nebo dokonce několik duplikátů), což je obyčejný osobní počítač.
Zařízení vyšší úrovně musí nějakým způsobem interagovat s mikrokontrolérem (proč je to jinak potřeba?). Pro takovou interakci se používají protokoly vyšší úrovně a určité přenosové médium, například Ethernet nebo UART. V případě „vánočního stromku“ takové sofistikovanosti samozřejmě nejsou nutné, žárovky se svítí pomocí běžných fyzických linek, nejsou zde žádná sofistikovaná rozhraní ani protokoly.
Obecně je tato horní úroveň méně zajímavá než fieldbus, protože tato horní úroveň nemusí vůbec existovat (obsluha nemá nic, na co by se ze série dívala, regulátor sám zjistí, co je třeba udělat a jak ).
„Starověké“ protokoly přenosu dat: Modbus a HART
Málokdo ví, ale sedmý den stvoření světa Bůh neodpočíval, ale stvořil Modbus. Spolu s protokolem HART je Modbus možná nejstarší protokol průmyslového přenosu dat; objevil se již v roce 1979.
Sériové rozhraní bylo zpočátku používáno jako přenosové médium, poté byl implementován Modbus přes TCP/IP. Jedná se o synchronní protokol master-slave (master-slave), který využívá princip požadavek-odpověď. Protokol je poměrně těžkopádný a pomalý, rychlost výměny závisí na vlastnostech přijímače a vysílače, ale obvykle se jedná o téměř stovky milisekund, zejména při implementaci přes sériové rozhraní.
Registr přenosu dat Modbus je navíc 16bitový, což okamžitě omezuje přenos skutečných a dvojitých typů. Jsou přenášeny buď po částech, nebo se ztrátou přesnosti. Ačkoli je Modbus stále široce používán v případech, kdy není potřeba vysoká komunikační rychlost a ztráta přenášených dat není kritická. Mnoho výrobců různých zařízení rádo rozšiřuje protokol Modbus vlastním exkluzivním a velmi originálním způsobem a přidává nestandardní funkce. Proto má tento protokol mnoho mutací a odchylek od normy, ale stále úspěšně žije v moderním světě.
Protokol HART také existuje již od osmdesátých let, je to průmyslový komunikační protokol přes dvouvodičovou proudovou smyčku, která přímo propojuje 4-20 mA senzory a další zařízení s podporou HART.
Pro přepínání HART linek se používají speciální zařízení, tzv. HART modemy. Existují také převodníky, které uživateli poskytují na výstupu řekněme protokol Modbus.
HART je možná pozoruhodný tím, že kromě analogových signálů snímačů 4-20 mA je v obvodu přenášen také digitální signál samotného protokolu, což umožňuje propojit digitální a analogovou část v jednom kabelovém vedení. Moderní HART modemy lze připojit k USB portu ovladače, připojit přes Bluetooth nebo staromódním způsobem přes sériový port. Před tuctem let se analogicky s Wi-Fi objevil bezdrátový standard WirelessHART, fungující v rozsahu ISM.
Druhá generace protokolů nebo ne zcela průmyslových sběrnic ISA, PCI(e) a VME
Protokoly Modbus a HART byly nahrazeny ne zcela průmyslovými sběrnicemi, jako jsou ISA (MicroPC, PC/104) nebo PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), stejně jako VME.
Nastala éra počítačů, které mají k dispozici univerzální datovou sběrnici, kam lze připojit různé desky (moduly) pro zpracování určitého jednotného signálu. Zpravidla se v tomto případě procesorový modul (počítač) vkládá do tzv. rámu, který zajišťuje interakci po sběrnici s ostatními zařízeními. Rám, nebo, jak to praví odborníci na automatizaci rádi nazývají, „přepravka“, je doplněna o nezbytné vstupně-výstupní desky: analogové, diskrétní, interface atd., nebo to vše je sestaveno do podoby sendviče bez rám - jedna deska na druhé. Poté si tato odrůda na sběrnici (ISA, PCI atd.) vyměňuje data s procesorovým modulem, který tak přijímá informace ze senzorů a implementuje nějakou logiku.
Řadič a I/O moduly v rámci PXI na sběrnici PCI. Zdroj:
S těmito sběrnicemi ISA, PCI(e) a VME by bylo vše v pořádku, zejména pro tuto dobu: rychlost výměny není zklamáním a systémové komponenty jsou umístěny v jediném rámu, kompaktní a pohodlné, nemusí být vyměnitelné za provozu I/O karty, ale zatím opravdu nechci.
Ale je tu moucha, a ne jedna. Postavit distribuovaný systém v takové konfiguraci je poměrně obtížné, výměnná sběrnice je lokální, je třeba vymyslet něco pro výměnu dat s jinými slave nebo peer uzly, stejný Modbus přes TCP/IP nebo nějaký jiný protokol, v obecně, není dostatek vymožeností. No a druhá nepříliš příjemná věc: I/O desky většinou očekávají jako vstup nějaký unifikovaný signál a nemají galvanické oddělení od polních zařízení, takže je potřeba udělat plot z různých konverzních modulů a meziobvodů, což značně komplikuje elementární základnu.
Mezilehlé moduly pro převod signálu s galvanickým oddělením. Zdroj:
"A co protokol průmyslové sběrnice?" - ptáš se. Nic. V této implementaci neexistuje. Prostřednictvím kabelových vedení signál putuje od snímačů k převodníkům signálu, převodníky dodávají napětí na diskrétní nebo analogovou I/O desku a data z desky jsou již čtena přes I/O porty pomocí OS. A žádné specializované protokoly.
Jak fungují moderní průmyslové sběrnice a protokoly
Co teď? K dnešnímu dni se klasická ideologie budování automatizovaných systémů trochu změnila. Roli hrálo mnoho faktorů, počínaje tím, že automatizace by měla být také pohodlná, a konče trendem k distribuovaným automatizovaným systémům s uzly vzdálenými od sebe.
Možná můžeme říci, že dnes existují dva hlavní koncepty systémů automatizace budov: lokalizované a distribuované automatizované systémy.
V případě lokalizovaných systémů, kde je sběr a řízení dat centralizováno na jednom konkrétním místě, je žádaný koncept určité sady vstupně/výstupních modulů propojených společnou rychlou sběrnicí včetně řadiče s vlastním protokolem výměny. V tomto případě I/O moduly zpravidla obsahují jak převodník signálu, tak galvanické oddělení (i když samozřejmě ne vždy). To znamená, že stačí, aby koncový uživatel pochopil, jaké typy senzorů a mechanismů budou v automatizovaném systému přítomny, spočítal počet požadovaných vstupních/výstupních modulů pro různé typy signálů a propojil je do jedné společné linky s regulátorem. . V tomto případě zpravidla každý výrobce používá svůj oblíbený výměnný protokol mezi I/O moduly a řadičem a zde může být mnoho možností.
V případě distribuovaných systémů platí vše, co se říká ve vztahu k lokalizovaným systémům, navíc je důležité, aby jednotlivé komponenty, například sada vstupně-výstupních modulů plus zařízení pro sběr a přenos informací - ne velmi chytrý mikrokontrolér, který stojí někde v kabině v poli, vedle ventilu, který uzavírá olej - by mohl interagovat se stejnými uzly as hlavním ovladačem na velkou vzdálenost s efektivním směnným kurzem.
Jak si vývojáři vybírají protokol pro svůj projekt? Všechny moderní výměnné protokoly poskytují poměrně vysoký výkon, takže výběr jednoho nebo druhého výrobce často není určen směnným kurzem na této velmi průmyslové sběrnici. Samotná implementace protokolu není až tak důležitá, protože z pohledu vývojáře systému půjde stále o černou skříňku, která poskytuje určitou vnitřní výměnnou strukturu a není určena pro vnější zásahy. Nejčastěji je pozornost věnována praktickým charakteristikám: výkon počítače, snadnost použití koncepce výrobce na daný úkol, dostupnost požadovaných typů I/O modulů, schopnost vyměnitelných modulů za provozu bez poškození autobus, atd.
Oblíbení dodavatelé zařízení nabízejí vlastní implementace průmyslových protokolů: například známá společnost Siemens vyvíjí svou řadu protokolů Profinet a Profibus, B&R vyvíjí protokol Powerlink, Rockwell Automation vyvíjí 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, např. EtherCAT a CAN. Tyto protokoly podrobně rozebereme v pokračování článku a zjistíme, které z nich jsou vhodnější pro konkrétní aplikace: automobilový a letecký průmysl, výroba elektroniky, polohovací systémy a robotika. Zůstat v kontaktu!
Zdroj: www.habr.com