Sicherlich kennen viele von Ihnen oder haben sogar gesehen, wie große automatisierte Objekte, wie beispielsweise ein Atomkraftwerk oder eine Fabrik mit zahlreichen Produktionslinien, gesteuert werden: Die Hauptaktivität findet oft in einem großen Raum mit vielen Bildschirmen, Lichtern und Steuerpulten statt. Diese Steuerungskomplexe werden üblicherweise als GShU – die Hauptsteuerkonsole zur Überwachung eines Produktionsobjekts – bezeichnet.
Sicherlich hat es Sie interessiert, wie all dies aus der Perspektive der Hardware und Software funktioniert und wie sich diese Systeme von den vertrauten Personalcomputern unterscheiden. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie verschiedene Daten zur GShU gelangen, wie Befehle an die Ausrüstung gesendet werden und was überhaupt nötig ist, um eine Kompressoranlage, eine Propanproduktionsanlage, eine Auto-Montagelinie oder sogar eine Abwasserpumpstation zu steuern.
Die unterste Ebene oder das Feldbus – dort beginnt alles
Dieser unklare Begriff für Nicht-Eingeweihte wird verwendet, wenn die Kommunikationsmittel von Mikrokontrollern mit der untergeordneten Ausrüstung, wie beispielsweise Ein- und Ausgabemodulen oder Messgeräten, beschrieben werden müssen. In der Regel wird dieser Kommunikationskanal als „Feldbus“ bezeichnet, da er dafür verantwortlich ist, dem Controller Daten zu übermitteln, die aus dem „Feld“ stammen.
„Feld“ ist ein tiefgreifender Fachbegriff, der den Umstand beschreibt, dass bestimmte Geräte (wie Sensoren oder Aktoren), mit denen der Controller interagiert, irgendwo weit entfernt, im Freien, auf Feldern, verborgen in der Nacht, stehen. Es spielt keine Rolle, dass sich der Sensor einen halben Meter vom Controller entfernt befinden kann und beispielsweise die Temperatur in einem Schrank für Automatisierungstechnik misst; es gilt dennoch als „im Feld“. In der Regel überwinden die Signale von Sensoren, die in die Ein- und Ausgabemodule gelangen, Entfernungen von Dutzenden bis zu Hunderten von Metern (und manchmal sogar mehr), indem sie Informationen von entfernten Standorten oder Anlagen sammeln. Daher wird der Bus, über den der Controller die Werte von diesen Sensoren erhält, normalerweise als Feldbus oder seltener als unterer Bus oder Industrie-Bus bezeichnet.
Allgemeines Schema zur Automatisierung eines Industrieobjekts
Das elektrische Signal vom Sensor legt eine gewisse Strecke über Kabelverbindungen zurück (häufig über normales Kupferkabel mit einer bestimmten Anzahl von Adern), an die mehrere Sensoren angeschlossen sind. Dann gelangt das Signal in das Verarbeitungsmodul (Ein- und Ausgangsmodul), wo es in eine für den Controller verständliche digitale Sprache umgewandelt wird. Anschließend kommt dieses Signal über den Feldbus direkt zum Controller, wo es endgültig verarbeitet wird. Auf Grundlage solcher Signale wird die Logik des Mikrocontrollers aufgebaut.
Oberstes Niveau: von der Lichterkette bis zur kompletten Arbeitsstation
Mit dem oberen Niveau bezeichnet man alles, was ein gewöhnlicher Bediener, der den technologischen Prozess steuert, berühren kann. Im einfachsten Fall besteht das obere Niveau aus einer Reihe von Lichtern und Tasten. Die Lichter signalisieren dem Bediener über bestimmte Ereignisse im System, während die Tasten dazu dienen, Befehle an den Controller zu geben. Ein solches System wird oft als "Lichterkette" oder "Tannenbaum" bezeichnet, da es sehr ähnlich aussieht (wie durch das Foto am Anfang des Artikels zu erkennen ist).
Wenn der Bediener mehr Glück hat, steht ihm als oberstes Niveau ein Bedienfeld zur Verfügung – ein gewisser Flachbildcomputer, der auf die eine oder andere Weise Daten vom Controller erhält, um sie auf dem Bildschirm anzuzeigen. Solch ein Panel wird gewöhnlich im Schaltschrank der Automatisierung montiert, weshalb man in der Regel im Stehen damit interagiert, was unbequem ist. Zudem lässt die Qualität und Größe des Bildes auf kleinformatigen Panels zu wünschen übrig.
Und schließlich gibt es die Attraktion in nie dagewesener Großzügigkeit – die Arbeitsstation (oder sogar mehrere Duplikate), die einen gewöhnlichen Personal Computer darstellt.
Die Ausrüstung des oberen Niveaus muss in irgendeiner Weise mit dem Mikrocontroller interagieren (sonst wäre es ja sinnlos). Für diese Interaktion werden Protokolle auf oberster Ebene und ein gewisses Übertragungsmedium, wie Ethernet oder UART, verwendet. Im Fall der "Lichterkette" sind derartige Raffinessen natürlich nicht notwendig; die Lichter werden über gewöhnliche physische Leitungen eingeschaltet, und es gibt keine komplizierten Schnittstellen oder Protokolle.
Im Grunde genommen ist diese obere Ebene weniger interessant als der Feldbus, da diese obere Ebene möglicherweise überhaupt nicht vorhanden ist (aus der Sicht des Betreibers gibt es dort nichts zu sehen, der Controller weiß bereits, was er tun muss).
„Uralte“ Datenübertragungsprotokolle: Modbus und HART
Wenig bekannt ist, dass Gott am siebten Tag der Schöpfung nicht ruhte, sondern Modbus erschuf. Neben dem HART-Protokoll ist Modbus wohl das älteste industrielle Datenübertragungsprotokoll, das bereits 1979 eingeführt wurde.
Ursprünglich wurde als Übertragungsmedium eine serielle Schnittstelle verwendet, später wurde Modbus über TCP/IP implementiert. Es handelt sich um ein synchrones Protokoll nach dem „Master-Slave“-Schema, in dem das Prinzip „Anfrage-Antwort“ verwendet wird. Das Protokoll ist recht schwerfällig und langsam; die Austauschgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Empfängers und des Senders ab, aber normalerweise dauert es fast Hunderte von Millisekunden, insbesondere in der Implementierung über serielle Schnittstellen.
Darüber hinaus ist das Modbus-Datenübertragungsregister 16-Bit, was sofort Einschränkungen bei der Übertragung der Typen real und double mit sich bringt. Diese werden entweder in Teilen oder mit einem Verlust an Genauigkeit übertragen. Trotzdem wird Modbus nach wie vor häufig in Fällen verwendet, in denen keine hohe Übertragungsgeschwindigkeit erforderlich ist und ein Verlust der übertragenen Daten nicht kritisch ist. Viele Hersteller verschiedener Geräte lieben es, das Modbus-Protokoll auf ihre eigene, sehr originelle Weise zu erweitern, indem sie nicht standardisierte Funktionen hinzufügen. Daher hat dieses Protokoll viele Mutationen und Abweichungen von der Norm, lebt aber dennoch erfolgreich in der modernen Welt.
Das HART-Protokoll ist ebenfalls seit den achtziger Jahren existent; es ist ein industrielles Austauschprotokoll über eine zweiadrige Leitung der Stromschleife, an die direkt 4-20 mA-Sensoren und andere Geräte mit HART-Protokoll-Unterstützung angeschlossen werden.
Für die Verkabelung der HART-Linien werden spezielle Geräte verwendet, die sogenannten HART-Modems. Es gibt auch Konverter, die dem Benutzer am Ausgang zum Beispiel bereits das Modbus-Protokoll bereitstellen.
Bemerkenswert ist HART, dass neben den analogen Sensorsignalen von 4-20 mA auch ein digitales Signal des Protokolls übermittelt wird. Dies ermöglicht die Verbindung von digitalen und analogen Teilen in einer einzigen Kabelverbindung. Moderne HART-Modems können an den USB-Port des Controllers angeschlossen werden, über Bluetooth verbunden werden oder auf die altmodische Weise über den seriellen Port. Vor etwa zehn Jahren erschien analog zu Wi-Fi der drahtlose Standard WirelessHART, der im ISM-Bereich arbeitet.
Die zweite Generation von Protokollen oder nicht ganz industriellen Bussen ISA, PCI(e) und VME
An die Protokolle Modbus und HART traten nicht ganz industrielle Bussen, wie ISA (MicroPC, PC/104) oder PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), sowie VME.
Es begann das Zeitalter der Rechner, 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 Interaktion über den Bus mit anderen Geräten ermöglicht. Das Gehäuse, oder wie es von erfahrenen Automatisierern oft genannt wird, 'Crate', wird mit den erforderlichen Ein- und Ausgangskarten ergänzt: analogen, diskreten, Schnittstellen usw., oder alles wird zu einem Sandwich ohne Gehäuse - eine Karte über der anderen. Danach tauscht diese Vielfalt über den Bus (ISA, PCI usw.) Daten mit dem Prozessormodul aus, das auf diese Weise Informationen von den Sensoren erhält und eine gewisse Logik implementiert.
Controller und Ein- und Ausgangsmodule im PXI-Gehäuse auf dem PCI-Bus. Quelle:
Mit diesen Bussen ISA, PCI(e) und VME wäre alles in Ordnung, besonders für die damalige Zeit: sowohl die Übertragungsgeschwindigkeit enttäuscht nicht, als auch die Komponenten des Systems befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse, kompakt und bequem, bei heißem Austausch von Ein- und Ausgangskarten könnte es sein, dass dies nicht möglich ist, aber bis jetzt will man es auch nicht wirklich.
Aber es gibt einen Wermutstropfen, und nicht nur einen. Ein verteiltes System in dieser Konfiguration aufzubauen, ist ziemlich schwierig; der lokale Bus für den Austausch ist erforderlich, man muss sich etwas einfallen lassen, um Daten mit anderen untergeordneten oder gleichrangigen Knoten auszutauschen, entweder Modbus über TCP/IP oder ein anderes Protokoll, insgesamt gibt es wenig Komfort. Und das zweite unangenehme Problem: Eingangs- und Ausgangskarten erwarten in der Regel einheitliche Signale und haben keine galvanische Trennung von der Feldtechnik, sodass man ein Sammelsurium aus verschiedenen Umsetzermodulen und Zwischenleitungen basteln muss, was die Komponentenbasis erheblich kompliziert.
Zwischenmodule zur Signalumsetzung mit galvanischer Trennung. Quelle:
"Was ist mit dem Protokoll für den Austausch über den industriellen Bus?" werden Sie fragen. Nichts. Es gibt es in dieser Umsetzung nicht. Über die Kabelleitungen gelangt das Signal von den Sensoren zu den Signal-Umsetzern, die Umsetzer geben eine Spannung auf die digitale oder analoge Eingangs-/Ausgangskarte aus, und die Daten von der Karte werden über die Ein-/Ausgangsports, mittels des Betriebssystems, gelesen. Und keine spezialisierten Protokolle.
Wie moderne industrielle Busse und Protokolle funktionieren
Und was ist jetzt? Bis heute hat sich die klassische Ideologie des Aufbaus automatisierter Systeme etwas verändert. Viele Faktoren haben eine Rolle gespielt, beginnend mit der Notwendigkeit, dass Automatisierung auch bequem sein sollte, bis hin zu dem Trend zu verteilten automatisierten Systemen mit voneinander entfernten Knoten.
Man kann wohl sagen, dass es heute zwei Hauptkonzepte für den Aufbau von Automatisierungssystemen gibt: lokalisierte und verteilte automatisierte Systeme.
Im Falle von lokalisierten Systemen, bei denen die Datensammlung und -verwaltung an einem bestimmten Ort zentralisiert ist, ist das Konzept eines bestimmten Sets von Eingangs- und Ausgangsmodulen, die über einen gemeinsamen schnellen Bus miteinander verbunden sind, gefragt, einschließlich eines Controllers mit seinem eigenen Austauschprotokoll. In der Regel umfassen die Eingangs- und Ausgangsmodule auch einen Signalwandler und eine galvanische Trennung (wenn auch nicht immer). Das heißt, der Endverbraucher muss nur verstehen, welche Arten von Sensoren und Mechanismen in dem automatisierten System vorhanden sind, die Anzahl der benötigten Eingangs- und Ausgangsmodule für verschiedene Signaltypen zählen und diese in einer gemeinsamen Reihe mit dem Controller verbinden. In diesem Fall verwendet jeder Hersteller in der Regel sein bevorzugtes Austauschprotokoll zwischen den Eingangs- und Ausgangsmodulen und dem Controller, und die Variationen können zahlreich sein.
Im Falle von verteilten Systemen gilt alles, was für lokalisierte Systeme gesagt wurde, mit der Ausnahme, dass es wichtig ist, dass einzelne Komponenten, wie ein Set von Eingangs- und Ausgangsmodulen plus ein Informationssammler und -übertragungsgerät – ein nicht sehr intelligenter Mikrocontroller, der irgendwo in einer Hütte im Feld steht, neben dem Kran, der das Öl abschaltet – mit ähnlichen Knoten und dem Hauptcontroller über große Entfernungen bei effektiver Austauschgeschwindigkeit interagieren können.
Wie wählen Entwickler das Protokoll für ihr Projekt aus? Alle modernen Austauschprotokolle bieten eine ziemlich hohe Geschwindigkeit, daher basiert die Wahl eines bestimmten Herstellers oft nicht auf der Geschwindigkeit des Austauschs über diesen industriellen Bus. Auch die Implementierung des Protokolls selbst ist nicht so wichtig, denn aus Sicht des Systementwicklers ist dies ohnehin eine Black Box, die eine gewisse interne Austauschstruktur bietet und nicht für externe Eingriffe ausgelegt ist. Oftmals liegt der Fokus auf praktischen Eigenschaften: die Leistung des Rechners, die Benutzerfreundlichkeit des Herstellerskonzepts für die gestellte Aufgabe, das Vorhandensein der benötigten Arten von Eingangs- und Ausgangsmodulen, die Möglichkeit des Hot-Swap von Modulen ohne Unterbrechung des Busses usw.
Beliebte Ausrüstungsanbieter bieten eigene Implementierungen industrieller Protokolle an: Die bekannte Firma Siemens entwickelt ihre Reihe von Profinet- und Profibus-Protokollen, das Unternehmen B&R – das Powerlink-Protokoll, Rockwell Automation – das EtherNet/IP-Protokoll. Eine heimische Lösung in dieser Liste ist die Version des FBUS-Protokolls von der russischen Firma Fastwel.
Es gibt auch universellere Lösungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN. Wir werden diese Protokolle im weiteren Verlauf des Artikels ausführlich behandeln und herausfinden, welche davon besser für bestimmte Anwendungen geeignet sind: die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, die Elektronikproduktion, Positionierungssysteme und Robotik. Bleiben Sie dran!
Quelle: habr.com
