Σίγουρα πολλοί από εσάς γνωρίζετε ή έχετε δει ακόμη πώς ελέγχονται μεγάλα αυτοματοποιημένα αντικείμενα, για παράδειγμα, ένα εργοστάσιο πυρηνικής ενέργειας ή ένα εργοστάσιο με πολλές γραμμές παραγωγής: η κύρια δράση λαμβάνει χώρα συχνά σε ένα μεγάλο δωμάτιο, με ένα σωρό οθόνες, λαμπτήρες και τηλεχειριστήρια. Αυτό το συγκρότημα ελέγχου συνήθως ονομάζεται κύριο δωμάτιο ελέγχου - ο κύριος πίνακας ελέγχου για την παρακολούθηση της εγκατάστασης παραγωγής.
Σίγουρα αναρωτιόσαστε πώς λειτουργούν όλα από άποψη υλικού και λογισμικού, πώς διαφέρουν αυτά τα συστήματα από τους συμβατικούς προσωπικούς υπολογιστές. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε πώς φτάνουν διάφορα δεδομένα στην κύρια αίθουσα ελέγχου, πώς αποστέλλονται εντολές στον εξοπλισμό και τι χρειάζεται γενικά για τον έλεγχο ενός σταθμού συμπίεσης, μιας μονάδας παραγωγής προπανίου, μιας γραμμής συναρμολόγησης αυτοκινήτου ή ακόμα και ενός αντλιοστάσιο αποχέτευσης.
Το χαμηλότερο επίπεδο ή το fieldbus είναι όπου ξεκινούν όλα
Αυτό το σύνολο λέξεων, ασαφές για τους μη μυημένους, χρησιμοποιείται όταν είναι απαραίτητο να περιγράψει τα μέσα επικοινωνίας μεταξύ μικροελεγκτών και δευτερεύοντος εξοπλισμού, για παράδειγμα, μονάδες I/O ή συσκευές μέτρησης. Συνήθως αυτό το κανάλι επικοινωνίας ονομάζεται "field bus" επειδή είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση δεδομένων που προέρχονται από το "πεδίο" στον ελεγκτή.
Το "Field" είναι ένας βαθύς επαγγελματικός όρος που αναφέρεται στο γεγονός ότι κάποιος εξοπλισμός (για παράδειγμα, αισθητήρες ή ενεργοποιητές) με τον οποίο αλληλεπιδρά ο ελεγκτής βρίσκεται κάπου μακριά, μακριά, στο δρόμο, στα χωράφια, κάτω από την κάλυψη της νύχτας . Και δεν έχει σημασία ότι ο αισθητήρας μπορεί να βρίσκεται μισό μέτρο από τον ελεγκτή και να μετρήσει, ας πούμε, τη θερμοκρασία σε ένα ντουλάπι αυτοματισμού, εξακολουθεί να θεωρείται ότι είναι "στο πεδίο". Τις περισσότερες φορές, τα σήματα από αισθητήρες που φτάνουν σε μονάδες I/O εξακολουθούν να διανύουν αποστάσεις από δεκάδες έως εκατοντάδες μέτρα (και μερικές φορές περισσότερα), συλλέγοντας πληροφορίες από απομακρυσμένες τοποθεσίες ή εξοπλισμό. Στην πραγματικότητα, αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο δίαυλος ανταλλαγής, μέσω του οποίου ο ελεγκτής λαμβάνει τιμές από αυτούς τους ίδιους αισθητήρες, ονομάζεται συνήθως δίαυλος πεδίου ή, λιγότερο συχνά, δίαυλος χαμηλότερου επιπέδου ή βιομηχανικός δίαυλος.
Γενικό σχέδιο αυτοματισμού βιομηχανικής εγκατάστασης
Έτσι, το ηλεκτρικό σήμα από τον αισθητήρα διανύει μια ορισμένη απόσταση κατά μήκος των γραμμών καλωδίων (συνήθως κατά μήκος ενός κανονικού χάλκινου καλωδίου με ορισμένο αριθμό πυρήνων), στο οποίο συνδέονται αρκετοί αισθητήρες. Στη συνέχεια, το σήμα εισέρχεται στη μονάδα επεξεργασίας (μονάδα εισόδου/εξόδου), όπου μετατρέπεται σε ψηφιακή γλώσσα κατανοητή από τον ελεγκτή. Στη συνέχεια, αυτό το σήμα μέσω του διαύλου πεδίου πηγαίνει απευθείας στον ελεγκτή, όπου τελικά υποβάλλεται σε επεξεργασία. Με βάση τέτοια σήματα, χτίζεται η λογική λειτουργίας του ίδιου του μικροελεγκτή.
Ανώτερο επίπεδο: από μια γιρλάντα σε έναν ολόκληρο σταθμό εργασίας
Το ανώτερο επίπεδο ονομάζεται οτιδήποτε μπορεί να αγγίξει ένας συνηθισμένος θνητός χειριστής που ελέγχει την τεχνολογική διαδικασία. Στην απλούστερη περίπτωση, το ανώτερο επίπεδο είναι ένα σύνολο φώτων και κουμπιών. Οι λαμπτήρες σηματοδοτούν τον χειριστή σχετικά με ορισμένα συμβάντα που συμβαίνουν στο σύστημα, τα κουμπιά χρησιμοποιούνται για την έκδοση εντολών στον ελεγκτή. Αυτό το σύστημα ονομάζεται συχνά «γιρλάντα» ή «χριστουγεννιάτικο δέντρο» επειδή μοιάζει πολύ (όπως μπορείτε να δείτε από τη φωτογραφία στην αρχή του άρθρου).
Εάν ο χειριστής είναι πιο τυχερός, τότε ως ανώτατο επίπεδο θα πάρει έναν πίνακα χειριστή - ένα είδος υπολογιστή επίπεδης οθόνης που με τον ένα ή τον άλλο τρόπο λαμβάνει δεδομένα για εμφάνιση από τον ελεγκτή και τα εμφανίζει στην οθόνη. Ένα τέτοιο πάνελ συνήθως τοποθετείται στο ίδιο το ντουλάπι αυτοματισμού, επομένως συνήθως πρέπει να αλληλεπιδράσετε μαζί του ενώ στέκεστε, γεγονός που προκαλεί ταλαιπωρία, καθώς και η ποιότητα και το μέγεθος της εικόνας σε πίνακες μικρού μεγέθους αφήνει πολλά επιθυμητά.
Και τέλος, ένα αξιοθέατο άνευ προηγουμένου γενναιοδωρίας - ένας σταθμός εργασίας (ή ακόμα και πολλά αντίγραφα), που είναι ένας συνηθισμένος προσωπικός υπολογιστής.
Ο εξοπλισμός ανώτερου επιπέδου πρέπει να αλληλεπιδρά με κάποιο τρόπο με τον μικροελεγκτή (διαφορετικά γιατί χρειάζεται;). Για μια τέτοια αλληλεπίδραση, χρησιμοποιούνται πρωτόκολλα ανώτερου επιπέδου και ένα συγκεκριμένο μέσο μετάδοσης, για παράδειγμα, Ethernet ή UART. Στην περίπτωση ενός «χριστουγεννιάτικου δέντρου», τέτοιες σοφιστικέδες, φυσικά, δεν χρειάζονται· οι λαμπτήρες ανάβουν χρησιμοποιώντας συνηθισμένες φυσικές γραμμές, δεν υπάρχουν εξελιγμένες διεπαφές ή πρωτόκολλα εκεί.
Γενικά, αυτό το ανώτερο επίπεδο είναι λιγότερο ενδιαφέρον από το field bus, καθώς αυτό το ανώτερο επίπεδο μπορεί να μην υπάρχει καθόλου (δεν υπάρχει τίποτα για τον χειριστή να δει από τη σειρά· ο ίδιος ο ελεγκτής θα καταλάβει τι πρέπει να γίνει και πώς ).
«Αρχαία» πρωτόκολλα μεταφοράς δεδομένων: Modbus και HART
Λίγοι γνωρίζουν, αλλά την έβδομη ημέρα της δημιουργίας του κόσμου, ο Θεός δεν αναπαύτηκε, αλλά δημιούργησε το Modbus. Μαζί με το πρωτόκολλο HART, το Modbus είναι ίσως το παλαιότερο βιομηχανικό πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων· εμφανίστηκε το 1979.
Η σειριακή διεπαφή χρησιμοποιήθηκε αρχικά ως μέσο μετάδοσης, στη συνέχεια το Modbus υλοποιήθηκε μέσω TCP/IP. Αυτό είναι ένα σύγχρονο πρωτόκολλο master-slave (master-slave) που χρησιμοποιεί την αρχή αίτησης-απόκρισης. Το πρωτόκολλο είναι αρκετά δυσκίνητο και αργό, η ταχύτητα ανταλλαγής εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του δέκτη και του πομπού, αλλά συνήθως η μέτρηση είναι σχεδόν εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, ειδικά όταν υλοποιείται μέσω σειριακής διεπαφής.
Επιπλέον, ο καταχωρητής μεταφοράς δεδομένων Modbus είναι 16-bit, γεγονός που επιβάλλει αμέσως περιορισμούς στη μεταφορά πραγματικών και διπλών τύπων. Μεταδίδονται είτε τμηματικά είτε με απώλεια ακρίβειας. Αν και το Modbus εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σε περιπτώσεις όπου δεν απαιτούνται υψηλές ταχύτητες επικοινωνίας και η απώλεια των μεταδιδόμενων δεδομένων δεν είναι κρίσιμη. Σε πολλούς κατασκευαστές διαφόρων συσκευών αρέσει να επεκτείνουν το πρωτόκολλο Modbus με τον δικό τους αποκλειστικό και πολύ πρωτότυπο τρόπο, προσθέτοντας μη τυπικές λειτουργίες. Επομένως, αυτό το πρωτόκολλο έχει πολλές μεταλλάξεις και αποκλίσεις από τον κανόνα, αλλά εξακολουθεί να ζει με επιτυχία στον σύγχρονο κόσμο.
Το πρωτόκολλο HART υπάρχει επίσης από τη δεκαετία του ογδόντα, είναι ένα βιομηχανικό πρωτόκολλο επικοινωνιών μέσω μιας γραμμής βρόχου ρεύματος δύο καλωδίων που συνδέει απευθείας αισθητήρες 4-20 mA και άλλες συσκευές με δυνατότητα HART.
Για την εναλλαγή γραμμών HART, χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές, τα λεγόμενα μόντεμ HART. Υπάρχουν επίσης μετατροπείς που παρέχουν στον χρήστη, ας πούμε, το πρωτόκολλο Modbus στην έξοδο.
Το HART είναι ίσως αξιοσημείωτο για το γεγονός ότι εκτός από τα αναλογικά σήματα των αισθητήρων 4-20 mA, το ψηφιακό σήμα του ίδιου του πρωτοκόλλου μεταδίδεται επίσης στο κύκλωμα, αυτό σας επιτρέπει να συνδέσετε τα ψηφιακά και αναλογικά μέρη σε μία καλωδιακή γραμμή. Τα σύγχρονα μόντεμ HART μπορούν να συνδεθούν στη θύρα USB του ελεγκτή, να συνδεθούν μέσω Bluetooth ή με τον παλιό τρόπο μέσω μιας σειριακής θύρας. Πριν από μια ντουζίνα χρόνια, κατ' αναλογία με το Wi-Fi, εμφανίστηκε το ασύρματο πρότυπο WirelessHART, που λειτουργεί στην περιοχή ISM.
Δεύτερη γενιά πρωτοκόλλων ή όχι αρκετά βιομηχανικά λεωφορεία ISA, PCI(e) και VME
Τα πρωτόκολλα Modbus και HART έχουν αντικατασταθεί από όχι αρκετά βιομηχανικούς διαύλους, όπως ISA (MicroPC, PC/104) ή PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), καθώς και VME.
Ήρθε η εποχή των υπολογιστών που έχουν στη διάθεσή τους έναν καθολικό δίαυλο δεδομένων, όπου μπορούν να συνδεθούν διάφορες πλακέτες (modules) για να επεξεργαστούν ένα συγκεκριμένο ενοποιημένο σήμα. Κατά κανόνα, σε αυτήν την περίπτωση, η μονάδα επεξεργαστή (υπολογιστής) εισάγεται στο λεγόμενο πλαίσιο, το οποίο διασφαλίζει την αλληλεπίδραση μέσω του διαύλου με άλλες συσκευές. Το πλαίσιο, ή, όπως το αποκαλούν οι πραγματικοί ειδικοί αυτοματισμού, "κλουβί", συμπληρώνεται με τις απαραίτητες πλακέτες εισόδου-εξόδου: αναλογικές, διακριτές, διεπαφή κ.λπ., ή όλα αυτά συνδυάζονται με τη μορφή ενός σάντουιτς χωρίς ένα πλαίσιο - η μία σανίδα πάνω στην άλλη. Μετά από αυτό, αυτή η ποικιλία στο δίαυλο (ISA, PCI, κ.λπ.) ανταλλάσσει δεδομένα με τη μονάδα επεξεργαστή, η οποία έτσι λαμβάνει πληροφορίες από τους αισθητήρες και εφαρμόζει κάποια λογική.
Ελεγκτής και μονάδες I/O σε πλαίσιο PXI σε δίαυλο PCI. Πηγή:
Όλα θα ήταν εντάξει με αυτούς τους διαύλους ISA, PCI(e) και VME, ειδικά για εκείνες τις στιγμές: η ταχύτητα ανταλλαγής δεν είναι απογοητευτική και τα στοιχεία του συστήματος βρίσκονται σε ένα μόνο πλαίσιο, συμπαγή και βολικά, ενδέχεται να μην υπάρχει δυνατότητα εναλλαγής εν θερμώ Κάρτες I/O, αλλά δεν το θέλω ακόμα.
Αλλά υπάρχει μια μύγα στην αλοιφή, και περισσότερα από ένα. Είναι αρκετά δύσκολο να δημιουργήσετε ένα κατανεμημένο σύστημα σε μια τέτοια διαμόρφωση, ο δίαυλος ανταλλαγής είναι τοπικός, πρέπει να βρείτε κάτι για να ανταλλάξετε δεδομένα με άλλους slave ή peer κόμβους, το ίδιο Modbus μέσω TCP/IP ή κάποιο άλλο πρωτόκολλο, σε γενικά, δεν υπάρχουν αρκετές ανέσεις. Λοιπόν, το δεύτερο όχι πολύ ευχάριστο πράγμα: οι πλακέτες I/O συνήθως περιμένουν κάποιο είδος ενοποιημένου σήματος ως είσοδο και δεν έχουν γαλβανική απομόνωση από εξοπλισμό πεδίου, επομένως πρέπει να φτιάξετε ένα φράχτη από διάφορες μονάδες μετατροπής και ενδιάμεσα κυκλώματα. γεγονός που περιπλέκει πολύ τη βάση του στοιχείου.
Ενδιάμεσες μονάδες μετατροπής σήματος με γαλβανική μόνωση. Πηγή:
«Τι γίνεται με το πρωτόκολλο βιομηχανικών λεωφορείων;» - εσύ ρωτάς. Τίποτα. Δεν υπάρχει σε αυτήν την υλοποίηση. Μέσω καλωδιακών γραμμών, το σήμα ταξιδεύει από τους αισθητήρες σε μετατροπείς σήματος, οι μετατροπείς παρέχουν τάση σε μια διακριτή ή αναλογική πλακέτα I/O και τα δεδομένα από την πλακέτα διαβάζονται ήδη μέσω των θυρών I/O χρησιμοποιώντας το ΛΣ. Και όχι εξειδικευμένα πρωτόκολλα.
Πώς λειτουργούν τα σύγχρονα βιομηχανικά λεωφορεία και πρωτόκολλα
Τώρα τι? Μέχρι σήμερα, η κλασική ιδεολογία της κατασκευής αυτοματοποιημένων συστημάτων έχει αλλάξει λίγο. Πολλοί παράγοντες έπαιξαν ρόλο, ξεκινώντας από το γεγονός ότι ο αυτοματισμός θα πρέπει επίσης να είναι βολικός, και τελειώνοντας με την τάση προς κατανεμημένα αυτοματοποιημένα συστήματα με κόμβους απομακρυσμένους ο ένας από τον άλλο.
Ίσως μπορούμε να πούμε ότι υπάρχουν δύο βασικές έννοιες για συστήματα αυτοματισμού κτιρίων σήμερα: εντοπισμένα και κατανεμημένα αυτοματοποιημένα συστήματα.
Στην περίπτωση τοπικών συστημάτων, όπου η συλλογή και ο έλεγχος δεδομένων συγκεντρώνονται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, απαιτείται η ιδέα ενός συγκεκριμένου συνόλου μονάδων εισόδου/εξόδου που διασυνδέονται με έναν κοινό γρήγορο δίαυλο, συμπεριλαμβανομένου ενός ελεγκτή με το δικό του πρωτόκολλο ανταλλαγής. Σε αυτήν την περίπτωση, κατά κανόνα, οι μονάδες I/O περιλαμβάνουν μετατροπέα σήματος και γαλβανική απομόνωση (αν και, φυσικά, όχι πάντα). Δηλαδή, αρκεί ο τελικός χρήστης να καταλάβει ποιοι τύποι αισθητήρων και μηχανισμών θα υπάρχουν στο αυτοματοποιημένο σύστημα, να μετρήσει τον αριθμό των απαιτούμενων μονάδων εισόδου/εξόδου για διαφορετικούς τύπους σημάτων και να τις συνδέσει σε μια κοινή γραμμή με τον ελεγκτή. . Σε αυτήν την περίπτωση, κατά κανόνα, κάθε κατασκευαστής χρησιμοποιεί το αγαπημένο του πρωτόκολλο ανταλλαγής μεταξύ των μονάδων I/O και του ελεγκτή και μπορεί να υπάρχουν πολλές επιλογές εδώ.
Στην περίπτωση των κατανεμημένων συστημάτων, όλα όσα λέγονται σε σχέση με τα τοπικά συστήματα είναι αληθή, επιπλέον, είναι σημαντικό τα μεμονωμένα στοιχεία, για παράδειγμα, ένα σύνολο μονάδων εισόδου-εξόδου συν μια συσκευή συλλογής και μετάδοσης πληροφοριών - όχι πολύ έξυπνος μικροελεγκτής που βρίσκεται κάπου σε ένα θάλαμο στο χωράφι, δίπλα στη βαλβίδα που κλείνει το λάδι - θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με τους ίδιους κόμβους και με τον κύριο ελεγκτή σε μεγάλη απόσταση με μια αποτελεσματική συναλλαγματική ισοτιμία.
Πώς επιλέγουν οι προγραμματιστές ένα πρωτόκολλο για το έργο τους; Όλα τα σύγχρονα πρωτόκολλα ανταλλαγής παρέχουν αρκετά υψηλή απόδοση, επομένως η επιλογή του ενός ή του άλλου κατασκευαστή συχνά δεν καθορίζεται από τη συναλλαγματική ισοτιμία σε αυτό το πολύ βιομηχανικό λεωφορείο. Η υλοποίηση του ίδιου του πρωτοκόλλου δεν είναι τόσο σημαντική, επειδή, από την άποψη του προγραμματιστή του συστήματος, θα εξακολουθεί να είναι ένα μαύρο κουτί που παρέχει μια συγκεκριμένη δομή εσωτερικής ανταλλαγής και δεν έχει σχεδιαστεί για εξωτερικές παρεμβολές. Τις περισσότερες φορές, δίνεται προσοχή στα πρακτικά χαρακτηριστικά: η απόδοση του υπολογιστή, η ευκολία εφαρμογής της ιδέας του κατασκευαστή στην εργασία που εκτελείται, η διαθεσιμότητα των απαιτούμενων τύπων μονάδων I/O, η δυνατότητα εναλλαγής ενοτήτων χωρίς θραύση το λεωφορείο κ.λπ.
Οι δημοφιλείς προμηθευτές εξοπλισμού προσφέρουν τις δικές τους υλοποιήσεις βιομηχανικών πρωτοκόλλων: για παράδειγμα, η γνωστή εταιρεία Siemens αναπτύσσει τη σειρά των πρωτοκόλλων Profinet και Profibus, η B&R αναπτύσσει το πρωτόκολλο Powerlink, η Rockwell Automation αναπτύσσει το πρωτόκολλο EtherNet/IP. Μια εσωτερική λύση σε αυτήν τη λίστα παραδειγμάτων: μια έκδοση του πρωτοκόλλου FBUS από τη ρωσική εταιρεία Fastwel.
Υπάρχουν επίσης πιο καθολικές λύσεις που δεν συνδέονται με συγκεκριμένο κατασκευαστή, όπως το EtherCAT και το CAN. Θα αναλύσουμε αυτά τα πρωτόκολλα λεπτομερώς στη συνέχεια του άρθρου και θα καταλάβουμε ποια από αυτά είναι καλύτερα κατάλληλα για συγκεκριμένες εφαρμογές: αυτοκινητοβιομηχανία και αεροδιαστημική βιομηχανία, κατασκευή ηλεκτρονικών, συστήματα εντοπισμού θέσης και ρομποτική. Να κρατήσουμε επαφή!
Πηγή: www.habr.com