Wahrscheinlich wissen viele von Ihnen oder haben sogar gesehen, wie große automatisierte Anlagen, wie beispielsweise ein Kernkraftwerk oder ein Werk mit vielen technologischen Linien, gesteuert werden: Das Geschehen findet oft in einem großen Raum mit zahlreichen Bildschirmen, Lichtern und Steuerungen statt. Dieses Steuerungssystem wird in der Regel als Leitstand bezeichnet — das zentrale Steuerpult zur Überwachung der Produktionsanlage.
Sie haben sich sicher auch gefragt, wie das alles auf der Hardware- und Softwareseite funktioniert und wodurch sich diese Systeme von den üblichen Personalcomputern unterscheiden. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie verschiedene Daten in den Leitstand gelangen, wie Kommandos an die Ausrüstung gesendet werden und was notwendig ist, um beispielsweise eine Verdichtersation, eine Propanproduktionsanlage, eine Automobilmontagelinie oder sogar eine Pumpstation zu steuern.
Die untere Ebene oder das Feldbus-System — das ist der Ausgangspunkt.
Dieser unklare Wortschatz wird verwendet, um die Kommunikationsmittel von Mikrocontrollern mit zugehörigen Geräten, wie Ein- und Ausgabemodulen oder Messgeräten, zu beschreiben. Dieser Kommunikationskanal wird normalerweise als "Feldbus" bezeichnet, da er für die Übertragung von Daten zuständig ist, die vom "Feld" an den Controller gelangen.
Das ‚Feld‘ ist ein tiefgehender Fachterminus, der beschreibt, dass sich bestimmte Geräte (wie Sensoren oder Aktoren) weit entfernt vom Controller befinden – draußen, auf Feldern, verborgen in der Nacht. Es spielt keine Rolle, ob der Sensor in einem halben Meter Entfernung vom Controller platziert ist und beispielsweise die Temperatur im Schaltschrank misst; er wird dennoch als ‚im Feld‘ betrachtet. In der Regel überbrücken die Signale von den Sensoren, die in die Eingangs-/Ausgangsmodule gelangen, Distanzen von mehreren Dutzend bis hin zu mehreren Hundert Metern (manchmal sogar mehr) und sammeln Informationen von entfernten Standorten oder Anlagen. Darum wird der Bussystem, über den der Controller Werte von diesen Sensoren erhält, üblicherweise als Feldbus oder seltener als Unterbus oder Industriebus bezeichnet.
Allgemeines Diagramm der Automatisierung eines Industrieobjekts
Der elektrische Signal vom Sensor wird über eine gewisse Distanz durch Kabelverbindungen (häufig über ein gewöhnliches Kupferkabel mit mehreren Adern) übertragen, an die mehrere Sensoren angeschlossen sind. Anschließend gelangt das Signal in die Verarbeitungseinheit (Ein- und Ausgabe-Modul), wo es in eine vom Controller verständliche digitale Sprache umgewandelt wird. Danach erreicht dieses Signal über den Feldbus direkt den Controller, wo es schließlich verarbeitet wird. Die Logik des Mikrokontrollers basiert auf solchen Signalen.
Oberste Ebene: von der Lichterkette bis zur gesamten Arbeitsstation
Die obere Ebene umfasst alles, was ein gewöhnlicher Bediener, der den technologischen Prozess steuert, berühren kann. Im einfachsten Fall stellt die obere Ebene eine Ansammlung von Lichtern und Tasten dar. Die Lichter signalisieren dem Betreiber bestimmte Ereignisse im System, während die Tasten zur Eingabe von Befehlen an den Controller dienen. Ein solches System wird oft als "Lichterkette" oder "Tannenbaum" bezeichnet, da es sehr ähnlich aussieht (wie man auf dem Foto zu Beginn des Artikels sehen kann).
Falls der Betreiber mehr Glück hat, erhält er als Oberstufe ein Bedienfeld – einen bestimmten Flachbildschirm, der auf irgendeine Weise Daten vom Controller erhält und diese auf dem Bildschirm anzeigt. Dieses Panel wird üblicherweise am Automatikschrank montiert, weshalb man in der Regel im Stehen damit interagiert, was unbequem ist. Zudem lässt die Qualität und die Größe des Bildes bei kleinformatigen Panels oft zu wünschen übrig.
Und schließlich gibt es die beispiellose Großzügigkeit – eine Workstation (oder sogar mehrere redundante Systeme), die einen gewöhnlichen Personalcomputer darstellt.
Die obere Ausrüstungsstufe muss auf irgendeine Weise mit dem Mikrocontroller interagieren (ansonsten wäre sie ja überflüssig). Für diese Interaktion werden Protokolle der oberen Ebene und ein gewisses Übertragungsmedium verwendet, beispielsweise Ethernet oder UART. Im Falle des "Baumdiagramms" sind solche Raffinessen natürlich nicht nötig, die Lampen werden einfach über normale physische Leitungen eingeschaltet, es gibt keine komplexen Schnittstellen oder Protokolle.
Im Grunde genommen ist diese obere Ebene weniger interessant als der Feldeinsatz, da diese obere Ebene überhaupt nicht vorhanden sein kann (es gibt keinen Grund für den Betreiber, dort nachzusehen; der Controller wird selbst entscheiden, was zu tun ist).
„Uralte“ Datenübertragungsprotokolle: Modbus und HART
Wenige wissen, dass Gott am siebten Tag der Schöpfung nicht ruhte, sondern Modbus erschuf. Neben dem HART-Protokoll ist Modbus wohl das älteste industrielle Datenübertragungsprotokoll, das 1979 eingeführt wurde.
Ursprünglich wurde eine serielle Schnittstelle als Übertragungsmedium verwendet, später wurde Modbus über TCP/IP implementiert. Es handelt sich um ein synchrones Protokoll nach dem „Master-Slave“-Prinzip, das das „Anfrage-Antwort“-System nutzt. Das Protokoll ist relativ schwerfällig und langsam; die Übertragungsgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Empfängers und des Senders ab, liegt aber normalerweise im Bereich von mehreren hundert Millisekunden, insbesondere bei der Implementierung über serielle Schnittstellen.
Zudem ist das Modbus-Datenübertragungsregister 16-Bit, was sofort Einschränkungen bei der Übertragung der Datentypen real und double mit sich bringt. Diese werden entweder stückweise oder mit einem Verlust an Genauigkeit übertragen. Dennoch wird Modbus nach wie vor häufig in Situationen eingesetzt, in denen eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit nicht erforderlich ist und der Verlust übertragener Daten nicht kritisch ist. Viele Hersteller verschiedener Geräte erweitern das Modbus-Protokoll auf ihre eigene, oftmals sehr originelle Weise, indem sie nicht standardisierte Funktionen hinzufügen. Daher gibt es zahlreiche Mutationen und Abweichungen dieses Protokolls, das jedoch nach wie vor erfolgreich in der modernen Welt existiert.
Das HART-Protokoll gibt es ebenfalls seit den achtziger Jahren. Es handelt sich um ein industrielles Übertragungsprotokoll, das über eine zweiadrige Stromschleifenleitung funktioniert, in die direkt 4-20 mA-Sensoren und andere HART-fähige Geräte angeschlossen werden.
Für die Schnittstellen von HART werden spezielle Geräte, die sogenannten HART-Modems, verwendet. Es gibt auch Konverter, die den Benutzern beispielsweise das Modbus-Protokoll an der Ausgangsschnittstelle bereitstellen.
Die HART-Technologie ist besonders bemerkenswert, da sie nicht nur analoge Signale von 4-20 mA-Sensoren überträgt, sondern auch digitale Signale des Protokolls selbst. Dies ermöglicht die Kombination von digitalen und analogen Signalen in einer einzigen Kabelverbindung. Moderne HART-Modems können über den USB-Port des Controllers, über Bluetooth oder traditionell über den seriellen Port angeschlossen werden. Vor einem Jahrzehnt wurde, ähnlich wie bei Wi-Fi, der drahtlose Standard WirelessHART eingeführt, der im ISM-Bereich arbeitet.
Die zweite Generation von Protokollen oder nicht ganz industriellen Bussen wie ISA, PCI(e) und VME.
Die Protokolle Modbus und HART wurden durch nicht ganz industrielle Busse wie ISA (MicroPC, PC/104) oder PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) sowie VME ersetzt.
Wir leben in einer Ära von Rechnern, die über einen universellen Datenbus verfügen, an den verschiedene Karten (Module) zur Verarbeitung eines einheitlichen Signals angeschlossen werden können. In der Regel wird in diesem Fall das Prozessormodul (Rechner) in ein sogenanntes Gehäuse eingesetzt, das die Kommunikation über den Bus mit anderen Geräten gewährleistet. Das Gehäuse, oder wie echte Automatisierungsspezialisten es gerne nennen, 'Crate', wird mit den notwendigen Ein- und Ausgangskarten ergänzt: analogen, digitalen, Schnittstellenkarten usw., oder alles wird ohne Gehäuse in Form eines Sandwichs zusammengefügt – eine Karte über der anderen. Danach tauscht diese Vielfalt am Bus (ISA, PCI usw.) Daten mit dem Prozessormodul aus, das auf diese Weise Informationen von Sensoren erhält und eine entsprechende Logik implementiert.
Controller und Ein- und Ausgangsmodule im PXI-Gehäuse am PCI-Bus. Quelle:
Die Zeiten der ISA-, PCI(e)- und VME-Busse haben durchaus ihre Vorzüge: Die Übertragungsgeschwindigkeit ist akzeptabel und die Systemkomponenten sind kompakt und praktisch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Auch wenn es keine Hot-Swap-fähigen I/O-Karten gibt, vermisst man sie derzeit nicht allzu sehr.
Es gibt jedoch einen Wermutstropfen, und nicht nur einen. Es ist recht kompliziert, ein verteiltes System in dieser Konfiguration aufzubauen, da der Bus lokal ist. Man muss sich etwas einfallen lassen, um Daten mit anderen untergeordneten oder gleichberechtigten Knoten auszutauschen, zum Beispiel Modbus über TCP/IP oder ein anderes Protokoll. Insgesamt sind die Annehmlichkeiten da eher begrenzt. Ein weiterer unangenehmer Aspekt: I/O-Karten erwarten normalerweise ein einheitliches Eingangssignal, und die galvanische Trennung vom Feldgerät fehlt, weshalb man diverse Umwandlungs- und Zwischenschaltungsmodule einsetzen muss, was die elementare Basis erheblich kompliziert.
Zwischenmodule zur Signalumwandlung mit galvanischer Trennung. Quelle:
„Was ist mit dem Kommunikationsprotokoll über industrielle Busse?“ – werden Sie fragen. Aber es gibt keines in dieser Umsetzung. Über Kabelleitungen gelangen die Signale von Sensoren zu den Signalwandlern, die Spannung an die digitale oder analoge Ein-/Ausgabeplatine ausgeben, und die Daten von der Platine werden über die Ein-/Ausgangsports von den Betriebssystemmitteln gelesen. Und keine speziellen Protokolle.
Wie funktionieren moderne industrielle Busse und Protokolle
Was ist nun zu tun? Bis heute hat sich die klassische Ideologie des Aufbaus automatisierter Systeme ein wenig verändert. Viele Faktoren haben eine Rolle gespielt, beginnend damit, dass Automatisierung auch benutzerfreundlich sein sollte, bis hin zu dem Trend hin zu verteilten automatisierten Systemen mit weit voneinander entfernten Knoten.
Man kann sagen, dass es heute zwei Hauptkonzepte für den Aufbau von Automatisierungssystemen gibt: lokalisierte und verteilte automatisierte Systeme.
Bei lokalisierten Systemen, in denen die Datenerfassung und das Management an einem spezifischen Ort zentralisiert sind, wird das Konzept eines Satzes von Eingabe- und Ausgabemodulen nachgefragt, die über eine gemeinsame schnelle Busanbindung miteinander verbunden sind, einschließlich eines Controllers mit seinem eigenen Austauschprotokoll. In der Regel umfassen die Eingabe- und Ausgabemodule sowohl Signalwandler als auch galvanische Trennungen (obwohl das selbstverständlich nicht immer der Fall ist). Das bedeutet, dass der Endbenutzer lediglich verstehen muss, welche Arten von Sensoren und Mechanismen in dem automatisierten System vorhanden sein werden, die Anzahl der benötigten Eingabe- und Ausgabemodule für verschiedene Signaltypen zählen und diese in einer gemeinsamen Reihe mit dem Controller verbinden kann. In diesem Fall verwendet jeder Hersteller in der Regel sein bevorzugtes Austauschprotokoll zwischen den Eingabe- und Ausgabemodulen und dem Controller, und es gibt zahlreiche Optionen.
Bei verteilten Systemen gelten alle Aussagen, die für lokalisierte Systeme gemacht werden, mit der Ausnahme, dass es wichtig ist, dass einzelne Komponenten, wie ein Satz von Ein- und Ausgabemodulen plus ein Gerät zur Datenerfassung und -übertragung – ein wenig intelligenter Mikrocontroller, der irgendwo in einer Hütte im Feld steht, neben einem Ventil, das das Öl abblockt – mit ähnlichen Knoten und dem Hauptcontroller über große Entfernungen hinweg effizient kommunizieren können.
Wie wählen Entwickler das Protokoll für ihr Projekt aus? Alle modernen Austauschprotokolle bieten eine recht hohe Leistung, daher hängt die Wahl eines bestimmten Herstellers oft nicht von der Übertragungsgeschwindigkeit über die jeweilige Schnittstelle ab. Auch die Implementierung des Protokolls spielt nicht die entscheidendste Rolle, denn aus der Sicht des Systementwicklers ist es letztlich ein Black Box, die eine gewisse interne Austauschstruktur gewährleistet und nicht auf ein äußeres Eingreifen ausgelegt ist. Häufiger wird auf praktische Eigenschaften geachtet: die Leistungsfähigkeit des Rechners, die Anwendbarkeit des Herstellerschemas auf die gegebene Aufgabe, das Vorhandensein notwendiger Ein- und Ausgabemodule, die Möglichkeit eines Hot-Swap von Modulen ohne Unterbrechung des Busbetriebs usw.
Beliebte Anbieter von Geräten bieten eigene Implementierungen industrieller Protokolle an: Zum Beispiel entwickelt das bekannte Unternehmen Siemens seine Serien Profinet und Profibus, die Firma B&R — das Protokoll Powerlink, Rockwell Automation — das Protokoll EtherNet/IP. Eine inländische Lösung in dieser Liste ist die Version des Protokolls FBUS von der russischen Firma Fastwel.
Es gibt auch allgemeinere Lösungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN. In diesem Artikel werden wir diese Protokolle im Detail erörtern und herausfinden, welche sich am besten für spezielle Anwendungen eignen: in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, in der Elektronikproduktion, bei Positionierungssystemen und in der Robotik. Bleiben Sie dran!
Quelle: habr.com
