Seguramente muchos de vosotros sabéis o incluso habéis visto cómo se controlan grandes objetos automatizados, por ejemplo, una central nuclear o una fábrica con muchas líneas de producción: la acción principal suele tener lugar en una sala grande, con un montón de pantallas, bombillas y controles remotos. Este complejo de control generalmente se denomina sala de control principal: el panel de control principal para monitorear la instalación de producción.
Seguro que te preguntabas cómo funciona todo a nivel de hardware y software, en qué se diferencian estos sistemas de los ordenadores personales convencionales. En este artículo, veremos cómo llegan diversos datos a la sala de control principal, cómo se envían los comandos al equipo y qué se necesita generalmente para controlar una estación de compresión, una planta de producción de propano, una línea de ensamblaje de automóviles o incluso una Planta de bombeo de alcantarillado.
El nivel más bajo o bus de campo es donde todo comienza
Este conjunto de palabras, poco claras para los no iniciados, se utiliza cuando es necesario describir los medios de comunicación entre los microcontroladores y los equipos subordinados, por ejemplo, módulos de E/S o dispositivos de medición. Normalmente este canal de comunicación se denomina “bus de campo” porque es responsable de transmitir los datos que provienen del “campo” al controlador.
"Campo" es un término profesional profundo que se refiere al hecho de que algún equipo (por ejemplo, sensores o actuadores) con el que interactúa el controlador está ubicado en algún lugar muy, muy lejano, en la calle, en el campo, al amparo de la noche. . Y no importa que el sensor pueda ubicarse a medio metro del controlador y medir, digamos, la temperatura en un gabinete de automatización, todavía se considera que está "en el campo". Muy a menudo, las señales de los sensores que llegan a los módulos de E/S aún viajan distancias de decenas a cientos de metros (y a veces más), recopilando información de sitios o equipos remotos. En realidad, es por eso que el bus de intercambio, a través del cual el controlador recibe los valores de estos mismos sensores, se suele denominar bus de campo o, menos comúnmente, bus de nivel inferior o bus industrial.
Esquema general de automatización de una instalación industrial.
Entonces, la señal eléctrica del sensor recorre una cierta distancia a lo largo de líneas de cable (generalmente a lo largo de un cable de cobre normal con un cierto número de núcleos), a las que se conectan varios sensores. Luego, la señal ingresa al módulo de procesamiento (módulo de entrada/salida), donde se convierte en un lenguaje digital comprensible para el controlador. A continuación, esta señal pasa a través del bus de campo directamente al controlador, donde finalmente se procesa. Sobre la base de tales señales, se construye la lógica de funcionamiento del propio microcontrolador.
Nivel superior: desde una guirnalda hasta un puesto de trabajo completo
El nivel superior se llama todo lo que puede ser tocado por un operador mortal común y corriente que controla el proceso tecnológico. En el caso más sencillo, el nivel superior es un conjunto de luces y botones. Las bombillas indican al operador sobre ciertos eventos que ocurren en el sistema, los botones se utilizan para enviar comandos al controlador. A este sistema se le suele llamar “guirnalda” o “árbol de Navidad” porque se parece mucho (como se puede ver en la foto al principio del artículo).
Si el operador es más afortunado, entonces, como nivel superior, obtendrá un panel de operador, una especie de computadora de pantalla plana que de una forma u otra recibe datos del controlador para mostrarlos y los muestra en la pantalla. Un panel de este tipo generalmente se monta en el propio gabinete de automatización, por lo que generalmente hay que interactuar con él estando de pie, lo que causa inconvenientes, además la calidad y el tamaño de la imagen en paneles de pequeño formato deja mucho que desear.
Y finalmente, una atracción de generosidad sin precedentes: una estación de trabajo (o incluso varios duplicados), que es una computadora personal común y corriente.
El equipo de nivel superior debe interactuar de alguna manera con el microcontrolador (de lo contrario, ¿por qué es necesario?). Para dicha interacción se utilizan protocolos de nivel superior y un determinado medio de transmisión, por ejemplo, Ethernet o UART. En el caso del “árbol de Navidad”, tales sofisticaciones, por supuesto, no son necesarias: las bombillas se encienden mediante líneas físicas ordinarias, no existen interfaces ni protocolos sofisticados.
En general, este nivel superior es menos interesante que el bus de campo, ya que es posible que este nivel superior no exista en absoluto (no hay nada que el operador pueda mirar de la serie; el propio controlador descubrirá qué se debe hacer y cómo ).
Protocolos de transferencia de datos “antiguos”: Modbus y HART
Pocas personas lo saben, pero en el séptimo día de la creación del mundo, Dios no descansó, sino que creó Modbus. Junto con el protocolo HART, Modbus es quizás el protocolo de transferencia de datos industrial más antiguo; apareció en 1979.
Inicialmente se utilizó la interfaz serie como medio de transmisión, luego se implementó Modbus a través de TCP/IP. Este es un protocolo maestro-esclavo síncrono (maestro-esclavo) que utiliza el principio de solicitud-respuesta. El protocolo es bastante engorroso y lento, la velocidad de intercambio depende de las características del receptor y del transmisor, pero normalmente el conteo es de casi cientos de milisegundos, especialmente cuando se implementa a través de una interfaz en serie.
Además, el registro de transferencia de datos Modbus es de 16 bits, lo que impone inmediatamente restricciones a la transferencia de tipos reales y dobles. Se transmiten en partes o con pérdida de precisión. Aunque Modbus todavía se usa ampliamente en los casos en que no se necesitan altas velocidades de comunicación y la pérdida de datos transmitidos no es crítica. A muchos fabricantes de diversos dispositivos les gusta ampliar el protocolo Modbus a su manera, exclusiva y muy original, añadiendo funciones no estándar. Por lo tanto, este protocolo tiene muchas mutaciones y desviaciones de la norma, pero aún vive con éxito en el mundo moderno.
El protocolo HART también existe desde los años ochenta; es un protocolo de comunicaciones industriales a través de una línea de bucle de corriente de dos hilos que conecta directamente sensores de 4-20 mA y otros dispositivos habilitados para HART.
Para conmutar líneas HART se utilizan dispositivos especiales, los llamados módems HART. También hay convertidores que proporcionan al usuario, por ejemplo, el protocolo Modbus en la salida.
HART es quizás notable por el hecho de que, además de las señales analógicas de los sensores de 4-20 mA, el circuito también transmite la señal digital del protocolo en sí, lo que le permite conectar las partes digitales y analógicas en una línea de cable. Los módems HART modernos se pueden conectar al puerto USB del controlador, a través de Bluetooth o a la antigua usanza a través de un puerto serie. Hace una docena de años, por analogía con Wi-Fi, apareció el estándar inalámbrico WirelessHART, que opera en el rango ISM.
Segunda generación de protocolos o buses no del todo industriales ISA, PCI(e) y VME
Los protocolos Modbus y HART han sido sustituidos por buses no del todo industriales, como ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), así como VME.
Ha llegado la era de las computadoras que tienen a su disposición un bus de datos universal, donde se pueden conectar varias placas (módulos) para procesar una determinada señal unificada. Como regla general, en este caso el módulo procesador (computadora) se inserta en el llamado marco, lo que garantiza la interacción a través del bus con otros dispositivos. El marco, o, como les gusta llamarlo a los verdaderos expertos en automatización, "caja", se complementa con las placas de entrada y salida necesarias: analógicas, discretas, de interfaz, etc., o todo esto se ensambla en forma de sándwich sin un marco: una tabla encima de la otra. Después de eso, esta variedad en el bus (ISA, PCI, etc.) intercambia datos con el módulo del procesador, que así recibe información de los sensores e implementa cierta lógica.
Controlador y módulos de E/S en un marco PXI en un bus PCI. Fuente:
Todo estaría bien con estos buses ISA, PCI(e) y VME, especialmente para esos tiempos: la velocidad de intercambio no decepciona y los componentes del sistema están ubicados en un solo marco, compacto y conveniente, puede que no haya intercambio en caliente Tarjetas de E/S, pero todavía no quiero hacerlo.
Pero hay una mosca en el ungüento, y más de una. Es bastante difícil construir un sistema distribuido en tal configuración, el bus de intercambio es local, es necesario idear algo para intercambiar datos con otros nodos esclavos o pares, el mismo Modbus sobre TCP/IP o algún otro protocolo, en En general, no hay suficientes comodidades. Bueno, la segunda cosa no muy agradable: las placas de E/S generalmente esperan algún tipo de señal unificada como entrada y no tienen aislamiento galvánico del equipo de campo, por lo que es necesario hacer una cerca con varios módulos de conversión y circuitos intermedios. lo que complica enormemente la base del elemento.
Módulos intermedios de conversión de señal con aislamiento galvánico. Fuente:
“¿Qué pasa con el protocolo de autobuses industriales?” - usted pregunta. Nada. No existe en esta implementación. A través de líneas de cable, la señal viaja desde los sensores a los convertidores de señal, los convertidores suministran voltaje a una placa de E/S discreta o analógica y los datos de la placa ya se leen a través de los puertos de E/S utilizando el sistema operativo. Y sin protocolos especializados.
Cómo funcionan los protocolos y los autobuses industriales modernos
¿Ahora que? Hoy en día, la ideología clásica de construir sistemas automatizados ha cambiado ligeramente. Muchos factores influyeron, empezando por el hecho de que la automatización también debería ser conveniente y terminando con la tendencia hacia sistemas automatizados distribuidos con nodos alejados entre sí.
Quizás podamos decir que hoy en día existen dos conceptos principales para los sistemas de automatización de edificios: sistemas automatizados localizados y distribuidos.
En el caso de sistemas localizados, donde la recopilación y el control de datos están centralizados en una ubicación específica, se demanda el concepto de un determinado conjunto de módulos de entrada/salida interconectados por un bus rápido común, incluido un controlador con su propio protocolo de intercambio. En este caso, por regla general, los módulos de E/S incluyen tanto un convertidor de señal como un aislamiento galvánico (aunque, por supuesto, no siempre). Es decir, es suficiente que el usuario final comprenda qué tipos de sensores y mecanismos estarán presentes en el sistema automatizado, cuente la cantidad de módulos de entrada/salida necesarios para diferentes tipos de señales y los conecte en una línea común con el controlador. . En este caso, por regla general, cada fabricante utiliza su protocolo de intercambio favorito entre los módulos de E/S y el controlador, y las opciones pueden ser muchas.
En el caso de los sistemas distribuidos, todo lo que se dice en relación a los sistemas localizados es cierto, además, es importante que los componentes individuales, por ejemplo, un conjunto de módulos de entrada y salida más un dispositivo para recopilar y transmitir información, no Un microcontrolador muy inteligente que se encuentra en algún lugar de una cabina en el campo, al lado de la válvula que cierra el suministro de petróleo, podría interactuar con los mismos nodos y con el controlador principal a gran distancia con un tipo de cambio efectivo.
¿Cómo eligen los desarrolladores un protocolo para su proyecto? Todos los protocolos de intercambio modernos proporcionan un rendimiento bastante alto, por lo que la elección de un fabricante en particular a menudo no está determinada por el tipo de cambio en este bus tan industrial. La implementación del protocolo en sí no es tan importante porque, desde el punto de vista del desarrollador del sistema, seguirá siendo una caja negra que proporciona una determinada estructura de intercambio interno y no está diseñada para interferencias externas. La mayoría de las veces, se presta atención a las características prácticas: el rendimiento de la computadora, la facilidad de aplicar el concepto del fabricante a la tarea en cuestión, la disponibilidad de los tipos requeridos de módulos de E/S, la capacidad de intercambiar módulos en caliente sin romperse. el autobús, etc
Los proveedores de equipos populares ofrecen sus propias implementaciones de protocolos industriales: por ejemplo, la conocida empresa Siemens está desarrollando su serie de protocolos Profinet y Profibus, B&R está desarrollando el protocolo Powerlink, Rockwell Automation está desarrollando el protocolo EtherNet/IP. Una solución doméstica en esta lista de ejemplos: una versión del protocolo FBUS de la empresa rusa Fastwel.
También existen soluciones más universales que no están vinculadas a un fabricante específico, como EtherCAT y CAN. Analizaremos estos protocolos en detalle a continuación del artículo y descubriremos cuáles de ellos son más adecuados para aplicaciones específicas: industrias automotrices y aeroespaciales, fabricación de productos electrónicos, sistemas de posicionamiento y robótica. ¡Mantente en contacto!
Fuente: habr.com