Sicherlich wissen oder haben viele von Ihnen gesehen, wie große automatisierte Objekte gesteuert werden, zum Beispiel ein Kernkraftwerk oder eine Fabrik mit vielen Produktionslinien: Die Hauptaktion findet oft in einem großen Raum mit einer Reihe von Bildschirmen und Glühbirnen statt und Fernbedienungen. Dieser Kontrollkomplex wird üblicherweise als Hauptkontrollraum bezeichnet – das Hauptsteuerpult zur Überwachung der Produktionsanlage.
Sicher haben Sie sich gefragt, wie das Ganze in Bezug auf Hardware und Software funktioniert und wie sich diese Systeme von herkömmlichen Personalcomputern unterscheiden. In diesem Artikel schauen wir uns an, wie verschiedene Daten in den Hauptkontrollraum gelangen, wie Befehle an die Ausrüstung gesendet werden und was im Allgemeinen zur Steuerung einer Kompressorstation, einer Propanproduktionsanlage, einer Automontagelinie oder sogar eines … benötigt wird Abwasserpumpanlage.
Auf der untersten Ebene bzw. dem Feldbus beginnt alles
Diese für Laien unklare Wortgruppe wird verwendet, wenn es darum geht, die Kommunikationsmittel zwischen Mikrocontrollern und untergeordneten Geräten, beispielsweise I/O-Modulen oder Messgeräten, zu beschreiben. Typischerweise wird dieser Kommunikationskanal als „Feldbus“ bezeichnet, da er für die Übertragung der vom „Feld“ kommenden Daten an die Steuerung verantwortlich ist.
„Feld“ ist ein tiefgreifender Fachbegriff, der sich auf die Tatsache bezieht, dass sich einige Geräte (z. B. Sensoren oder Aktoren), mit denen der Controller interagiert, irgendwo weit, weit entfernt, auf der Straße, auf den Feldern, im Schutz der Nacht befinden . Und es spielt keine Rolle, dass der Sensor einen halben Meter von der Steuerung entfernt angebracht werden kann und beispielsweise die Temperatur in einem Automatisierungsschrank misst, es wird immer noch davon ausgegangen, dass er sich „im Feld“ befindet. Meistens legen Signale von Sensoren, die an I/O-Modulen ankommen, immer noch Distanzen von mehreren zehn bis hundert Metern (und manchmal mehr) zurück und sammeln Informationen von entfernten Standorten oder Geräten. Aus diesem Grund wird der Austauschbus, über den die Steuerung Werte von denselben Sensoren empfängt, üblicherweise als Feldbus oder seltener als untergeordneter Bus oder Industriebus bezeichnet.
Allgemeines Automatisierungsschema einer Industrieanlage
Das elektrische Signal des Sensors legt also eine bestimmte Strecke entlang von Kabelleitungen zurück (normalerweise entlang eines normalen Kupferkabels mit einer bestimmten Anzahl von Adern), an die mehrere Sensoren angeschlossen sind. Das Signal gelangt dann in das Verarbeitungsmodul (Eingabe-/Ausgabemodul), wo es in eine für die Steuerung verständliche digitale Sprache umgewandelt wird. Anschließend gelangt dieses Signal über den Feldbus direkt zur Steuerung, wo es schließlich verarbeitet wird. Basierend auf solchen Signalen wird die Betriebslogik des Mikrocontrollers selbst aufgebaut.
Top-Level: von der Girlande bis zum kompletten Arbeitsplatz
Als obere Ebene bezeichnet man alles, was von einem gewöhnlichen sterblichen Bediener berührt werden kann, der den technologischen Prozess steuert. Im einfachsten Fall besteht die oberste Ebene aus einer Reihe von Lichtern und Tasten. Glühbirnen signalisieren dem Bediener bestimmte Ereignisse im System, über Tasten werden Befehle an die Steuerung gegeben. Dieses System wird oft als „Girlande“ oder „Weihnachtsbaum“ bezeichnet, weil es sehr ähnlich aussieht (wie Sie auf dem Foto am Anfang des Artikels sehen können).
Wenn der Bediener mehr Glück hat, erhält er als oberste Ebene ein Bedienfeld – eine Art Flachbildschirm, der auf die eine oder andere Weise Daten zur Anzeige von der Steuerung empfängt und auf dem Bildschirm anzeigt. Ein solches Panel wird normalerweise am Automatisierungsschrank selbst montiert, sodass Sie normalerweise im Stehen damit interagieren müssen, was zu Unannehmlichkeiten führt, und die Qualität und Größe des Bildes auf kleinformatigen Panels lässt zu wünschen übrig.
Und schließlich eine Attraktion von beispielloser Großzügigkeit – eine Workstation (oder sogar mehrere Duplikate), bei der es sich um einen gewöhnlichen Personalcomputer handelt.
Geräte der oberen Ebene müssen in irgendeiner Weise mit dem Mikrocontroller interagieren (warum wird sie sonst benötigt?). Für eine solche Interaktion werden übergeordnete Protokolle und ein bestimmtes Übertragungsmedium verwendet, beispielsweise Ethernet oder UART. Im Falle des „Weihnachtsbaums“ sind solche Feinheiten natürlich nicht nötig; die Glühbirnen werden über gewöhnliche physikalische Leitungen zum Leuchten gebracht, es gibt dort keine ausgefeilten Schnittstellen oder Protokolle.
Im Allgemeinen ist diese obere Ebene weniger interessant als der Feldbus, da diese obere Ebene möglicherweise gar nicht existiert (von der Serie gibt es für den Bediener nichts zu sehen; die Steuerung wird selbst herausfinden, was wie zu tun ist). ).
„Alte“ Datenübertragungsprotokolle: Modbus und HART
Nur wenige Menschen wissen es, aber am siebten Tag der Erschaffung der Welt ruhte Gott nicht, sondern erschuf Modbus. Modbus ist neben dem HART-Protokoll vielleicht das älteste industrielle Datenübertragungsprotokoll; es erschien bereits im Jahr 1979.
Als Übertragungsmedium wurde zunächst die serielle Schnittstelle genutzt, dann wurde Modbus über TCP/IP implementiert. Dabei handelt es sich um ein synchrones Master-Slave-Protokoll (Master-Slave), das das Request-Response-Prinzip nutzt. Das Protokoll ist ziemlich umständlich und langsam, die Austauschgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Empfängers und Senders ab, aber normalerweise beträgt die Zählung fast Hunderte von Millisekunden, insbesondere wenn es über eine serielle Schnittstelle implementiert wird.
Darüber hinaus ist das Modbus-Datenübertragungsregister 16-Bit, was sofort Einschränkungen bei der Übertragung von Real- und Double-Typen mit sich bringt. Sie werden entweder in Teilen oder mit Genauigkeitsverlust übertragen. Allerdings wird Modbus immer noch häufig dort eingesetzt, wo keine hohen Kommunikationsgeschwindigkeiten erforderlich sind und der Verlust der übertragenen Daten nicht kritisch ist. Viele Hersteller verschiedener Geräte erweitern das Modbus-Protokoll gerne auf ihre eigene, exklusive und sehr originelle Weise und fügen nicht standardmäßige Funktionen hinzu. Daher weist dieses Protokoll viele Mutationen und Abweichungen von der Norm auf, lebt aber dennoch erfolgreich in der modernen Welt.
Auch das HART-Protokoll gibt es seit den 4er-Jahren. Dabei handelt es sich um ein industrielles Kommunikationsprotokoll über eine Zweidraht-Stromschleifenleitung, das 20-XNUMX-mA-Sensoren und andere HART-fähige Geräte direkt verbindet.
Zum Schalten von HART-Leitungen werden spezielle Geräte, sogenannte HART-Modems, eingesetzt. Es gibt auch Konverter, die dem Anwender beispielsweise das Modbus-Protokoll am Ausgang zur Verfügung stellen.
HART zeichnet sich vielleicht dadurch aus, dass neben den analogen Signalen von 4-20 mA-Sensoren auch das digitale Signal des Protokolls selbst im Stromkreis übertragen wird, wodurch Sie den digitalen und den analogen Teil in einer Kabelleitung verbinden können. Moderne HART-Modems können an den USB-Anschluss des Controllers angeschlossen, über Bluetooth oder auf altmodische Weise über einen seriellen Anschluss verbunden werden. Vor einem Dutzend Jahren erschien in Analogie zu Wi-Fi der WirelessHART-Funkstandard, der im ISM-Bereich arbeitet.
Zweite Protokollgeneration oder nicht ganz industrielle Busse ISA, PCI(e) und VME
Die Modbus- und HART-Protokolle wurden durch nicht ganz industrielle Busse wie ISA (MicroPC, PC/104) oder PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) sowie VME ersetzt.
Es ist die Ära der Computer angebrochen, die über einen universellen Datenbus verfügen, an den verschiedene Karten (Module) angeschlossen werden können, um ein bestimmtes einheitliches Signal zu verarbeiten. In der Regel wird dabei das Prozessormodul (Computer) in den sogenannten Frame eingefügt, der die Interaktion über den Bus mit anderen Geräten gewährleistet. Der Rahmen, oder wie echte Automatisierungsexperten ihn gerne nennen, „Kiste“, wird mit den notwendigen Eingabe-Ausgabe-Karten ergänzt: analog, diskret, Schnittstelle usw., oder alles wird in Form eines Sandwichs ohne zusammengefügt ein Rahmen – ein Brett über dem anderen. Danach tauscht diese Variante auf dem Bus (ISA, PCI usw.) Daten mit dem Prozessormodul aus, das somit Informationen von den Sensoren erhält und eine gewisse Logik implementiert.
Controller- und I/O-Module in einem PXI-Rahmen an einem PCI-Bus. Quelle:
Mit diesen ISA-, PCI(e)- und VME-Bussen wäre alles in Ordnung, insbesondere für die damalige Zeit: Die Austauschgeschwindigkeit ist nicht enttäuschend, und die Systemkomponenten sind in einem einzigen Rahmen untergebracht, kompakt und praktisch, möglicherweise nicht im laufenden Betrieb austauschbar I/O-Karten, aber das möchte ich noch nicht wirklich.
Aber es gibt einen Wermutstropfen, und zwar mehr als einen. Es ist ziemlich schwierig, in einer solchen Konfiguration ein verteiltes System aufzubauen, der Austauschbus ist lokal, man muss sich etwas einfallen lassen, um Daten mit anderen Slave- oder Peer-Knoten auszutauschen, den gleichen Modbus über TCP/IP oder ein anderes Protokoll Im Allgemeinen gibt es nicht genügend Annehmlichkeiten. Nun, die zweite nicht sehr angenehme Sache: I/O-Karten erwarten normalerweise eine Art einheitliches Signal als Eingang, und sie verfügen nicht über eine galvanische Trennung von Feldgeräten, sodass Sie aus verschiedenen Konvertierungsmodulen und Zwischenschaltkreisen einen Zaun bauen müssen. was die Elementbasis erheblich verkompliziert.
Zwischensignalumwandlungsmodule mit galvanischer Trennung. Quelle:
„Was ist mit dem Industriebusprotokoll?“ - du fragst. Nichts. Es existiert in dieser Implementierung nicht. Über Kabelleitungen gelangt das Signal von den Sensoren zu den Signalwandlern, die Wandler versorgen eine diskrete oder analoge I/O-Karte mit Spannung und die Daten von der Karte werden bereits über die I/O-Ports mithilfe des Betriebssystems gelesen. Und keine speziellen Protokolle.
Wie moderne Industriebusse und Protokolle funktionieren
Was jetzt? Bis heute hat sich die klassische Ideologie des Aufbaus automatisierter Systeme ein wenig verändert. Dabei spielten viele Faktoren eine Rolle, angefangen bei der Tatsache, dass Automatisierung auch komfortabel sein sollte, bis hin zum Trend zu verteilten automatisierten Systemen mit voneinander entfernten Knoten.
Vielleicht können wir sagen, dass es heute zwei Hauptkonzepte für Gebäudeautomationssysteme gibt: lokalisierte und verteilte automatisierte Systeme.
Bei lokalisierten Systemen, bei denen die Datenerfassung und -steuerung an einem bestimmten Ort zentralisiert ist, ist das Konzept eines bestimmten Satzes von Ein-/Ausgabemodulen, die über einen gemeinsamen schnellen Bus miteinander verbunden sind, einschließlich eines Controllers mit eigenem Austauschprotokoll, gefragt. In diesem Fall verfügen I/O-Module in der Regel sowohl über einen Signalwandler als auch über eine galvanische Trennung (wenn auch natürlich nicht immer). Das heißt, es reicht für den Endbenutzer aus, zu verstehen, welche Arten von Sensoren und Mechanismen im automatisierten System vorhanden sein werden, die Anzahl der erforderlichen Ein-/Ausgabemodule für verschiedene Signaltypen zu zählen und sie in einer gemeinsamen Leitung mit der Steuerung zu verbinden . In diesem Fall verwendet in der Regel jeder Hersteller sein bevorzugtes Austauschprotokoll zwischen I/O-Modulen und der Steuerung, und hier kann es viele Möglichkeiten geben.
Bei verteilten Systemen gilt alles, was in Bezug auf lokalisierte Systeme gesagt wird. Darüber hinaus ist es wichtig, dass einzelne Komponenten, beispielsweise ein Satz von Eingabe-Ausgabe-Modulen sowie ein Gerät zum Sammeln und Übertragen von Informationen, nicht vorhanden sind Ein sehr intelligenter Mikrocontroller, der irgendwo in einer Kabine auf dem Feld neben dem Ventil steht, das das Öl absperrt, könnte mit denselben Knoten und mit dem Hauptcontroller aus großer Entfernung mit einem effektiven Wechselkurs interagieren.
Wie wählen Entwickler ein Protokoll für ihr Projekt aus? Alle modernen Austauschprotokolle bieten eine relativ hohe Leistung, sodass die Wahl des einen oder anderen Herstellers oft nicht vom Wechselkurs auf diesem sehr industriellen Bus abhängt. Die Implementierung des Protokolls selbst ist nicht so wichtig, da es sich aus Sicht des Systementwicklers immer noch um eine Black Box handelt, die eine bestimmte interne Austauschstruktur bereitstellt und nicht für Eingriffe von außen ausgelegt ist. Am häufigsten wird auf praktische Eigenschaften geachtet: die Leistung des Computers, die einfache Anwendung des Herstellerkonzepts auf die jeweilige Aufgabe, die Verfügbarkeit der erforderlichen I/O-Modultypen, die Möglichkeit, Module ohne Unterbrechung im laufenden Betrieb auszutauschen der Bus usw.
Beliebte Gerätelieferanten bieten ihre eigenen Implementierungen von Industrieprotokollen an: Beispielsweise entwickelt das bekannte Unternehmen Siemens seine Reihe von Profinet- und Profibus-Protokollen, B&R entwickelt das Powerlink-Protokoll, Rockwell Automation entwickelt das EtherNet/IP-Protokoll. Eine inländische Lösung in dieser Beispielliste: eine Version des FBUS-Protokolls der russischen Firma Fastwel.
Es gibt auch universellere Lösungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie zum Beispiel EtherCAT und CAN. Wir werden diese Protokolle im weiteren Verlauf des Artikels im Detail analysieren und herausfinden, welche davon für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind: Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, Elektronikfertigung, Positionierungssysteme und Robotik. In Kontakt bleiben!
Source: habr.com