Yn sicr mae llawer ohonoch chi'n gwybod neu hyd yn oed wedi gweld sut mae gwrthrychau awtomataidd mawr yn cael eu rheoli, er enghraifft, gorsaf ynni niwclear neu ffatri gyda llawer o linellau cynhyrchu: mae'r prif weithred yn aml yn digwydd mewn ystafell fawr, gyda chriw o sgriniau, bylbiau golau a rheolyddion o bell. Gelwir y cyfadeilad rheoli hwn fel arfer yn brif ystafell reoli - y prif banel rheoli ar gyfer monitro'r cyfleuster cynhyrchu.
Siawns nad oeddech yn meddwl tybed sut mae'r cyfan yn gweithio o ran caledwedd a meddalwedd, sut mae'r systemau hyn yn wahanol i gyfrifiaduron personol confensiynol. Yn yr erthygl hon, byddwn yn edrych ar sut mae data amrywiol yn cyrraedd y brif ystafell reoli, sut mae gorchmynion yn cael eu hanfon at yr offer, a'r hyn sydd ei angen yn gyffredinol i reoli gorsaf gywasgu, ffatri cynhyrchu propan, llinell cydosod ceir, neu hyd yn oed a gwaith pwmpio carthffosydd.
Y lefel isaf neu'r bws maes yw lle mae'r cyfan yn dechrau
Defnyddir y set hon o eiriau, sy'n aneglur i'r anghyfarwydd, pan fo angen disgrifio'r dulliau cyfathrebu rhwng microreolyddion ac offer isradd, er enghraifft, modiwlau I/O neu ddyfeisiau mesur. Yn nodweddiadol, gelwir y sianel gyfathrebu hon yn “fws maes” oherwydd ei fod yn gyfrifol am drosglwyddo data sy'n dod o'r “maes” i'r rheolydd.
Mae “maes” yn derm proffesiynol dwfn sy'n cyfeirio at y ffaith bod rhai offer (er enghraifft, synwyryddion neu actiwadyddion) y mae'r rheolwr yn rhyngweithio â nhw wedi'u lleoli rhywle ymhell, bell i ffwrdd, ar y stryd, yn y caeau, o dan orchudd nos. . Ac nid oes ots y gellir lleoli'r synhwyrydd hanner metr o'r rheolydd a mesur, dyweder, y tymheredd mewn cabinet awtomeiddio, mae'n dal i gael ei ystyried ei fod "yn y maes." Yn fwyaf aml, mae signalau o synwyryddion sy'n cyrraedd modiwlau I/O yn dal i deithio pellteroedd o ddegau i gannoedd o fetrau (ac weithiau mwy), gan gasglu gwybodaeth o safleoedd neu offer anghysbell. Mewn gwirionedd, dyna pam mae'r bws cyfnewid, y mae'r rheolydd yn derbyn gwerthoedd o'r un synwyryddion hyn, fel arfer yn cael ei alw'n fws maes neu, yn llai cyffredin, yn fws lefel is neu'n fws diwydiannol.
Cynllun cyffredinol o awtomeiddio cyfleuster diwydiannol
Felly, mae'r signal trydanol o'r synhwyrydd yn teithio pellter penodol ar hyd llinellau cebl (fel arfer ar hyd cebl copr rheolaidd gyda nifer benodol o greiddiau), y mae sawl synhwyrydd yn gysylltiedig ag ef. Yna mae'r signal yn mynd i mewn i'r modiwl prosesu (modiwl mewnbwn / allbwn), lle caiff ei drawsnewid yn iaith ddigidol sy'n ddealladwy i'r rheolydd. Nesaf, mae'r signal hwn trwy'r bws maes yn mynd yn uniongyrchol i'r rheolydd, lle caiff ei brosesu o'r diwedd. Yn seiliedig ar signalau o'r fath, mae rhesymeg gweithredu'r microreolydd ei hun yn cael ei adeiladu.
Lefel uchaf: o garland i weithfan gyfan
Gelwir y lefel uchaf yn bopeth y gellir ei gyffwrdd gan weithredwr marwol cyffredin sy'n rheoli'r broses dechnolegol. Yn yr achos symlaf, set o oleuadau a botymau yw'r lefel uchaf. Mae bylbiau golau yn arwydd i'r gweithredwr am rai digwyddiadau sy'n digwydd yn y system, defnyddir botymau i roi gorchmynion i'r rheolydd. Gelwir y system hon yn aml yn "garland" neu'n "goeden Nadolig" oherwydd ei bod yn edrych yn debyg iawn (fel y gwelwch o'r llun ar ddechrau'r erthygl).
Os yw'r gweithredwr yn fwy ffodus, yna fel y lefel uchaf bydd yn cael panel gweithredwr - math o gyfrifiadur panel fflat sydd mewn un ffordd neu'r llall yn derbyn data i'w arddangos gan y rheolydd ac yn ei arddangos ar y sgrin. Mae panel o'r fath fel arfer wedi'i osod ar y cabinet awtomeiddio ei hun, felly fel arfer mae'n rhaid i chi ryngweithio ag ef wrth sefyll, sy'n achosi anghyfleustra, ac mae ansawdd a maint y ddelwedd ar baneli fformat bach yn gadael llawer i'w ddymuno.
Ac yn olaf, atyniad o haelioni digynsail - gweithfan (neu hyd yn oed sawl copi dyblyg), sef cyfrifiadur personol arferol.
Rhaid i offer lefel uwch ryngweithio mewn rhyw ffordd â'r microreolydd (fel arall pam mae ei angen?). Ar gyfer rhyngweithio o'r fath, defnyddir protocolau lefel uwch a chyfrwng trosglwyddo penodol, er enghraifft, Ethernet neu UART. Yn achos “coeden Nadolig”, nid oes angen soffistigedigrwydd o'r fath, wrth gwrs; mae'r bylbiau golau yn cael eu goleuo gan ddefnyddio llinellau ffisegol arferol, nid oes rhyngwynebau na phrotocolau soffistigedig yno.
Yn gyffredinol, mae'r lefel uchaf hon yn llai diddorol na'r bws maes, oherwydd efallai na fydd y lefel uchaf hon yn bodoli o gwbl (nid oes dim i'r gweithredwr edrych arno o'r gyfres; bydd y rheolwr ei hun yn darganfod beth sydd angen ei wneud a sut ).
Protocolau trosglwyddo data “Hynafol”: Modbus a HART
Ychydig iawn o bobl sy'n gwybod, ond ar y seithfed dydd o greadigaeth y byd, ni orffwysodd Duw, ond creodd Modbus. Ynghyd â phrotocol HART, efallai mai Modbus yw'r protocol trosglwyddo data diwydiannol hynaf; ymddangosodd yn ôl yn 1979.
Defnyddiwyd y rhyngwyneb cyfresol i ddechrau fel cyfrwng trosglwyddo, yna gweithredwyd Modbus dros TCP/IP. Mae hwn yn brotocol meistr-gaethwas cydamserol (meistr-gaethwas) sy'n defnyddio'r egwyddor ymateb cais. Mae'r protocol yn eithaf feichus ac yn araf, mae'r cyflymder cyfnewid yn dibynnu ar nodweddion y derbynnydd a'r trosglwyddydd, ond fel arfer mae'r cyfrif bron yn gannoedd o filieiliadau, yn enwedig pan gaiff ei weithredu trwy ryngwyneb cyfresol.
Ar ben hynny, mae cofrestr trosglwyddo data Modbus yn 16-bit, sy'n gosod cyfyngiadau ar unwaith ar drosglwyddo mathau go iawn a dwbl. Maent yn cael eu trosglwyddo naill ai mewn rhannau neu gyda diffyg cywirdeb. Er bod Modbus yn dal i gael ei ddefnyddio'n helaeth mewn achosion lle nad oes angen cyflymder cyfathrebu uchel ac nad yw colli data a drosglwyddir yn hollbwysig. Mae llawer o weithgynhyrchwyr dyfeisiau amrywiol yn hoffi ehangu protocol Modbus yn eu ffordd unigryw a gwreiddiol iawn eu hunain, gan ychwanegu swyddogaethau ansafonol. Felly, mae gan y protocol hwn lawer o dreigladau a gwyriadau oddi wrth y norm, ond mae'n dal i fyw'n llwyddiannus yn y byd modern.
Mae protocol HART hefyd wedi bod o gwmpas ers yr wythdegau, mae'n brotocol cyfathrebu diwydiannol dros linell dolen gyfredol dwy wifren sy'n cysylltu synwyryddion 4-20 mA yn uniongyrchol a dyfeisiau eraill sy'n galluogi HART.
I newid llinellau HART, defnyddir dyfeisiau arbennig, fel y'u gelwir yn modemau HART. Mae yna hefyd drawsnewidwyr sy'n darparu, dyweder, y protocol Modbus i'r defnyddiwr yn yr allbwn.
Efallai bod HART yn nodedig am y ffaith, yn ychwanegol at y signalau analog o synwyryddion 4-20 mA, bod signal digidol y protocol ei hun hefyd yn cael ei drosglwyddo yn y gylched, mae hyn yn caniatáu ichi gysylltu'r rhannau digidol ac analog mewn un llinell gebl. Gellir cysylltu modemau HART modern â phorthladd USB y rheolydd, eu cysylltu trwy Bluetooth, neu'r ffordd hen ffasiwn trwy borth cyfresol. Dwsin o flynyddoedd yn ôl, trwy gyfatebiaeth â Wi-Fi, ymddangosodd safon ddiwifr WirelessHART, sy'n gweithredu yn yr ystod ISM.
Ail genhedlaeth o brotocolau neu fysiau heb fod yn hollol ddiwydiannol ISA, PCI(e) a VME
Mae'r protocolau Modbus a HART wedi'u disodli gan fysiau nad ydynt yn hollol ddiwydiannol, megis ISA (MicroPC, PC/104) neu PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), yn ogystal â VME.
Mae oes cyfrifiaduron wedi dod sydd â bws data cyffredinol ar gael iddynt, lle gellir cysylltu byrddau amrywiol (modiwlau) i brosesu signal unedig penodol. Fel rheol, yn yr achos hwn, mae'r modiwl prosesydd (cyfrifiadur) yn cael ei fewnosod yn y ffrâm fel y'i gelwir, sy'n sicrhau rhyngweithio ar y bws â dyfeisiau eraill. Mae'r ffrâm, neu, fel y mae gwir arbenigwyr awtomeiddio yn hoffi ei alw, “crat,” yn cael ei ategu gan y byrddau mewnbwn-allbwn angenrheidiol: analog, arwahanol, rhyngwyneb, ac ati, neu mae hyn i gyd yn cael ei roi at ei gilydd ar ffurf brechdan heb. ffrâm - un bwrdd ar ben y llall. Ar ôl hynny, mae'r amrywiaeth hwn ar y bws (ISA, PCI, ac ati) yn cyfnewid data gyda'r modiwl prosesydd, sydd felly'n derbyn gwybodaeth gan y synwyryddion ac yn gweithredu rhywfaint o resymeg.
Modiwlau rheolydd ac I/O mewn ffrâm PXI ar fws PCI. Ffynhonnell:
Byddai popeth yn iawn gyda'r bysiau ISA, PCI(e) a VME hyn, yn enwedig ar gyfer yr amseroedd hynny: nid yw'r cyflymder cyfnewid yn siomedig, ac mae cydrannau'r system wedi'u lleoli mewn un ffrâm, yn gryno ac yn gyfleus, efallai na fydd modd cyfnewid poeth. Cardiau I/O, ond dydw i ddim eisiau gwneud hynny eto.
Ond y mae pryf yn yr ennaint, a mwy nag un. Mae'n eithaf anodd adeiladu system ddosbarthedig mewn cyfluniad o'r fath, mae'r bws cyfnewid yn lleol, mae angen i chi feddwl am rywbeth i gyfnewid data gyda nodau caethweision neu gyfoedion eraill, yr un Modbus dros TCP / IP neu ryw brotocol arall, yn gyffredinol, nid oes digon o gyfleusterau. Wel, yr ail beth nad yw'n ddymunol iawn: mae byrddau I / O fel arfer yn disgwyl rhyw fath o signal unedig fel mewnbwn, ac nid oes ganddynt ynysu galfanig oddi wrth offer maes, felly mae angen i chi ffensio gardd o wahanol fodiwlau trosi a chylchedwaith canolraddol, sy'n cymhlethu'r sylfaen elfen yn fawr.
Modiwlau trosi signal canolraddol gydag ynysu galfanig. Ffynhonnell:
“Beth am y protocol bysiau diwydiannol?” - rydych chi'n gofyn. Dim byd. Nid yw'n bodoli yn y gweithrediad hwn. Trwy linellau cebl, mae'r signal yn teithio o synwyryddion i drawsnewidwyr signal, mae'r trawsnewidwyr yn cyflenwi foltedd i fwrdd I / O arwahanol neu analog, ac mae'r data o'r bwrdd eisoes yn cael ei ddarllen trwy'r porthladdoedd I / O gan ddefnyddio'r OS. A dim protocolau arbenigol.
Sut mae bysiau a phrotocolau diwydiannol modern yn gweithio
Beth nawr? Hyd yn hyn, mae ideoleg glasurol adeiladu systemau awtomataidd wedi newid ychydig. Chwaraeodd llawer o ffactorau rôl, gan ddechrau gyda'r ffaith y dylai awtomeiddio fod yn gyfleus hefyd, a gorffen gyda'r duedd tuag at systemau awtomataidd dosranedig gyda nodau yn bell oddi wrth ei gilydd.
Efallai y gallwn ddweud bod dau brif gysyniad ar gyfer adeiladu systemau awtomeiddio heddiw: systemau awtomataidd lleoledig a gwasgaredig.
Yn achos systemau lleoledig, lle mae casglu a rheoli data wedi'u canoli mewn un lleoliad penodol, mae galw am y cysyniad o set benodol o fodiwlau mewnbwn/allbwn wedi'u rhyng-gysylltu gan fws cyflym cyffredin, gan gynnwys rheolydd gyda'i brotocol cyfnewid ei hun. Yn yr achos hwn, fel rheol, mae modiwlau I / O yn cynnwys trawsnewidydd signal ac ynysu galfanig (er, wrth gwrs, nid bob amser). Hynny yw, mae'n ddigon i'r defnyddiwr terfynol ddeall pa fathau o synwyryddion a mecanweithiau fydd yn bresennol yn y system awtomataidd, cyfrif nifer y modiwlau mewnbwn / allbwn gofynnol ar gyfer gwahanol fathau o signalau a'u cysylltu i un llinell gyffredin gyda'r rheolydd . Yn yr achos hwn, fel rheol, mae pob gwneuthurwr yn defnyddio ei hoff brotocol cyfnewid rhwng modiwlau I / O a'r rheolydd, a gall fod llawer o opsiynau yma.
Yn achos systemau gwasgaredig, mae popeth a ddywedir mewn perthynas â systemau lleoledig yn wir, yn ogystal, mae'n bwysig bod cydrannau unigol, er enghraifft, set o fodiwlau mewnbwn-allbwn ynghyd â dyfais ar gyfer casglu a throsglwyddo gwybodaeth - a ddim. microreolydd craff iawn sy'n sefyll yn rhywle mewn bwth yn y cae, wrth ymyl y falf sy'n cau'r olew i ffwrdd - gallai ryngweithio â'r un nodau a chyda'r prif reolwr o bellter mawr gyda chyfradd gyfnewid effeithiol.
Sut mae datblygwyr yn dewis protocol ar gyfer eu prosiect? Mae'r holl brotocolau cyfnewid modern yn darparu perfformiad eithaf uchel, felly nid yw dewis gwneuthurwr un neu'r llall yn aml yn cael ei bennu gan y gyfradd gyfnewid ar y bws diwydiannol iawn hwn. Nid yw gweithredu'r protocol ei hun mor bwysig, oherwydd, o safbwynt datblygwr y system, bydd yn dal i fod yn flwch du sy'n darparu strwythur cyfnewid mewnol penodol ac nid yw wedi'i gynllunio ar gyfer ymyrraeth allanol. Yn fwyaf aml, rhoddir sylw i nodweddion ymarferol: perfformiad y cyfrifiadur, rhwyddineb cymhwyso cysyniad y gwneuthurwr i'r dasg dan sylw, argaeledd y mathau gofynnol o fodiwlau I / O, y gallu i fodiwlau cyfnewidiadwy poeth heb dorri. y bws, ac ati.
Mae cyflenwyr offer poblogaidd yn cynnig eu gweithrediadau eu hunain o brotocolau diwydiannol: er enghraifft, mae'r cwmni adnabyddus Siemens yn datblygu ei gyfres o brotocolau Profinet a Profibus, mae B&R yn datblygu protocol Powerlink, mae Rockwell Automation yn datblygu'r protocol EtherNet/IP. Datrysiad domestig yn y rhestr hon o enghreifftiau: fersiwn o brotocol FBUS gan y cwmni Rwsiaidd Fastwel.
Mae yna hefyd atebion mwy cyffredinol nad ydynt yn gysylltiedig â gwneuthurwr penodol, megis EtherCAT a CAN. Byddwn yn dadansoddi'r protocolau hyn yn fanwl ym mharhad yr erthygl ac yn darganfod pa rai ohonynt sydd fwyaf addas ar gyfer cymwysiadau penodol: diwydiannau modurol ac awyrofod, gweithgynhyrchu electroneg, systemau lleoli a roboteg. Cadwch mewn cysylltiad!
Ffynhonnell: hab.com