Kindlasti teavad paljud teist või on isegi näinud, kuidas suured automatiseeritud objektid, näiteks tuumaelektrijaama või tehase, millel on palju tehnoloogilisi liine, töötavad: põhitegevus toimub sageli suures ruumis, kus on palju ekraane, lampe ja pulte. Seda juhtimiskompleksi nimetatakse tavaliselt GSHU-ks — peamiseks juhteks, mis kontrollib tootmisobjekti.
Kindlasti on teil olnud huvi, kuidas see kõik töötab riistvara ja tarkvara vaatepunktist ning millega need süsteemid erinevad tavapärastest isiklikest arvutitest. Selles artiklis uurime, kuidas erinevad andmed jõuavad GSHU-sse, kuidas antakse käske seadmetele ning mida on üldse vaja, et juhtida kompressorstaatust, propaani tootmisseadet, auto monteerimisliini või isegi kanalisatsioonipumpade kompleksi.
Alumine tase või väljaspool antud koht — see, kust kõik algab
See mittetuntud sõnasubjekt, mida arusaamatuks peavad võõrad, kasutatakse, kui tuleb kirjeldada mikrokontrollerite suhtlusvahendeid alamarvutite, näiteks sisend-väljundmodulite või mõõtmisseadmetega. Üldiselt nimetatakse seda suhtluskanalit 'välja bussiks', sest see vastutab andmete edastamise eest, mis jõuvad kontrolleri juurde 'väljast'.
'Väli' on sügavalt professionaalne termin, mis tähistab asjaolu, et teatud seadmed (näiteks andurid või tegevusmehhanismid), millega kontroller suhtleb, asuvad kaugel, väljas, avarustes, öö varjus. Ja ei ole oluline, et andur võib olla pool meetrit kontrollerist ja mõõta näiteks temperatuuri automaatika kapis, seda loetakse endiselt 'väljas' asuvaks. Enamasti ületavad anduritelt tulevad signaalid siiski kümneid kuni sadu meetreid (ja mõnikord ka rohkem), kogudes teavet kaugetelt platsidelt või seadmetelt. Just seetõttu nimetatakse vahetusbusse, mille kaudu kontroller saab väärtused nendelt anduritelt, enamasti väljaks bussiks või vähemal määral alumiseks bussiks või tööstuslikuks bussiks.
Üldine automatiseerimise skeem tööstusobjekti jaoks
Nii et, elektriline signaal andurilt möödub teatud vahemaa kaabliühendustel (tavaliselt tavalise vaskkaabli kaudu teatud arvu juhtmetega), kuhu on ühendatud mitu andurit. Seejärel jõuab signaal töötlemismodulisse (sisendi-väljundi moodul), kus see muudetakse kontrollerele arusaadavasse digitaalkeelde. Järgmisena liigub see signaal väliskanalite kaudu otse juhtimist, kus see töötatakse lõpuni välja. Selliste signaalide põhjal koostatakse mikrokontrolleri tööloogika.
Ülemine tase: ışikisehemni keti hulgast täisdav tööjaamani
Ülemiseks tasemeks nimetatakse kõike, millega võib kokku puutuda tavaline operaator, kes juhib tehnoloogilist protsessi. Lihtsaimal juhul koosneb ülemine tase lambipirnidest ja nuppudest. Lambipirnid annavad operaatorile signaale süsteemis toimuva kohta, nuppude kaudu aga edastatakse käske kontrollerile. Sellist süsteemi nimetatakse sageli "ikino" või "puuks", kuna see näeb välja väga sarnane (nagu saab veenduda artikli alguses oleva foto põhjal).
Kui operaatoril on rohkem vedanud, siis on tema ülemiseks tasemeks operaatoripaneel — teatud tasapinnaline arvuti, mis mingil viisil saab kontrollerele edastatud andmeid ja kuvab neid ekraanil. Selline paneel paigaldatakse tavaliselt automaatika kapile, mistõttu tuleb sellega suhtlemisel enamasti seista, mis on ebamugav, peale selle jätab väikese formaadiga paneelidel pilt ja kvaliteet soovida.
Ja lõpuks, enneolematute helduse kaasamine — tööjaam (või isegi mitu duplikaati), mis on tavaline isiklik arvuti.
Ülemise taseme varustus peab mingil moel suhtlema mikrokontrolleriga (muul juhul milleks ta on vajalik?). Selleks suhtlemiseks kasutatakse ülemise taseme protokolle ja teatud edastusmeediat, näiteks Ethernet või UART. "Ikino" puhul pole muidugi selliseid tehnikaid vaja, lambid süttivad tavaliste füüsiliste liinide tõttu, seal pole mingeid keerulisi liideseid ja protokolle.
Üldiselt on see ülemine tase vähem huvitav kui välivõrk, kuna seda ülemist taset ei pruugi üldse olla (seeria, et operaatoril ei ole seal midagi vaadata, kontroller lahendab ise, mida ja kuidas teha).
„Ajaloolised“ andedastusprotokollid: Modbus ja HART
Vähe kellelegi teada, aga maailmas loomise seitsmendal päeval ei puhanud Jumal, vaid lõi Modbusi. Koos HART-protokolliga on Modbus ilmselt vanim tööstuslik andedastusprotokoll, mis ilmus juba 1979. aastal.
Alguses kasutati edastamiseks seerianeninterface’i, seejärel rakendati Modbus TCP/IP peal. See on sünkroonne protokoll, mis töötab „meistrist-orja“ (peamine-alam) põhimõttel, kasutades „küsige-vastake“ meetodit. Protokoll on üsna mahukas ja aeglane, vahetuskiirus sõltub vastuvõtja ja saatja omadustest, kuid tavaliselt kulub see peaaegu sadu millisekundeid, eriti seeriainterface’i kaudu rakendamisel.
Lisaks on Modbusi andmete edastamise register 16-bitine, mis seab automaatselt piirangud real ja double tüüpi edastamiseks. Need edastatakse kas osade kaupa või täpsuse kaotusega. Kuigi Modbusit kasutatakse endiselt laialdaselt kohtades, kus kiire vahetus ei ole vajalik ja edastatavate andmete kaotus ei ole kriitiline. Paljud erinevate seadmete tootjad armastavad Modbusi protokolli laiendada oma ainulaadsel ja väga originaalsel viisil, lisades mittestandardseid funktsioone. Seetõttu on sellel protokollil palju mutatsioone ja normist kõrvalekaldeid, kuid see elab siiski edukalt tänapäeva maailmas.
HART-protokoll eksisteerib samuti alates kaheksakümnendatest, see on tööstuslik andmevahetusprotokoll kahejuhtmelisel vooluahela liinil, kuhu on otse ühendatud 4-20 mA andurid ja muud HART-protokolli toetavad seadmed.
HART-liinide ühendamiseks kasutatakse spetsiaalseid seadmeid, nn HART-modemeid. Samuti on olemas muundurid, mis pakuvad kasutajale väljundina näiteks Modbusi protokolli.
HART on tähelepanuväärne, kuna lisaks 4-20 mA analoogsignaalidele edastatakse juhtmes ka digitaalne signaal protokollist, mis võimaldab digitaalset ja analoogset osa ühendada ühes kaablijoones. Kaasaegsed HART-modemid võivad ühendada kontrolleri USB-porti, ühendada Bluetoothi kaudu või vanamoodsalt seeriaporti kaudu. Toosama kümme aastat tagasi ilmus Wi-Fi sarnane traadita standard WirelessHART, mis töötab ISM-i sagedusalas.
Teine protokollide põlvkond või mitte päris tööstuslikud bussid nagu ISA, PCI(e) ja VME
Modbus ja HART protokollide asemel tulid mitte päris tööstuslikud bussid nagu ISA (MicroPC, PC/104) või PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), samuti VME.
On saabunud arvutite aeg, millel on universaalne andmeedastusbus, kuhu saab ühendada erinevaid kaarte (mooduleid) mingisuguste ühtsustatud signaalide töötlemiseks. Reeglina sisestatakse sel juhul protsessorimoodul (arvuti) nn raami, mis tagab bussi kaudu suhtlemise teiste seadmetega. Raam, või nagu tõelised automatiseerijad seda nimavad, 'crate', täiendatakse vajalike sisendi-väljundi kaartidega: analoogsete, diskreetsete, liidese jne, või kogu see kleepitakse kihiti ilma raamita — üks kaart teise peal. Pärast seda vahetatakse selle mitmekesisus bussis (ISA, PCI jne) andmeid protsessorimooduliga, mis seeläbi saab teavet anduritelt ja viib ellu mingisuguse loogika.
Kontroller ja sisendi-väljundi moodulid PXI raamistikus PCI bussil. Allikas:
Need ISA, PCI(e) ja VME bussid on küll head, eriti tolle aja jaoks: andmete edastuskiirus pole pettumustvalmistav, kõik süsteemi komponendid asuvad ühes raamistikus, kompaktne ja mugav, sisendi-väljundi kaarte ei pruugi olla võimalik kuumalt vahetada, aga samas ei ole ka oluline.
Kuid on ka üks tõrva lusikas, ja mitte ainult üks. Jaotatud süsteemi on üsna keeruline sellises konfiguratsioonis üles ehitada, kohalik vahetusbus on olemas, aga teistsugust lahendust on vaja andmete vahetamiseks teiste alluvate või võrdselt tähtsate sõlmede vahel, näiteks Modbus TCP/IP üle või mõni muu protokoll, kokkuvõttes on mugavusi vähe. Ja teine ebameeldiv asi: sisendi- ja väljavõtulehed ootavad tavaliselt ühtset signaali, ja neil puudub galvaniline eraldus välisseadmest, seega on vaja ehitada erinevatest ühendusmoodulitest ja vahekaablitest aed, mis teeb komponentide valiku palju keerulisemaks.
Vahe-signaalimuundurid galvanilise eraldusega. Allikas:
"Aga kuidas on asjadega tööstusliku bussi vahetusprotokolliga?" — küsid sa. Ja mitte midagi. Sellises teostuses pole seda olemas. Kaabliühenduste kaudu jõuab signaal anduritest signaalimuunduriteni, muundurid annavad pinge diskreetsetele või analoogsetele sisendi-väljavõtulehtedele, ja andmed lugemisega jõuavad juba sisse/väljavõtu portide kaudu OS-i vahenditega. Ja spetsialiseeritud protokolle ei ole.
Kuidas töötavad tänapäevased tööstuslikud bussid ja protokollid
Aga mis nüüd? Tänaseks on klassikaline automatiseeritud süsteemide ülesehitamise ideoloogia veidi muutunud. Mitu tegurit on mänginud rolli, alates sellest, et automatiseerimine peab olema mugav, ja lõpetades suunaga jaotatud automatiseeritud süsteemide suunas kaugelt üksteisest asuvate sõlmedega.
Võib öelda, et peamised automatiseerimise süsteemide ülesehitamise kontseptsioonid tänapäeval on kaks: lokaliseeritud ja jaotatud automatiseeritud süsteemid.
Kohalike süsteemide puhul, kus andmete kogumine ja haldamine on keskendunud konkreetsesse kohta, on nõudlus teatud sisend-väljundmodulite komplekti järele, mis on omavahel ühendatud ühtse kiire bussiga, sealhulgas kontroller, millel on oma vahetusprotokoll. Samuti sisaldavad sisend-väljundmodulid üldjuhul signaali muundurit ja galvanilisi eraldusi (kuigi see ei pruugi olla alati nii). See tähendab, et lõppkasutajale piisab üksnes mõista, millised andurid ja mehhanismid on automatiseeritud süsteemis, arvutada erinevate signaalitüüpide jaoks vajalike sisend-väljundmodulite arv ja ühendada need ühe kontrolleriga ühtsesse ritta. Sellisel juhul kasutab iga tootja tavaliselt oma lemmik vahetusprotokolli sisend-väljundmodulite ja kontrolleri vahel ning võimalusi on siin palju.
Jagatud süsteemide puhul kehtib kõik, mis on öeldud kohalike süsteemide kohta, välja arvatud see, et eraldi komponendid, näiteks sisend-väljundmodulite komplekt pluss andmete kogumise ja edastamise seade — mitte eriti nutikas mikrokontroller, mis asub kuskil väljal kraani lähedal, mis peatab nafta — peaksid olema võimelised suhtlema sarnaste sõlmedega ja peamise kontrolleriga suurel kaugusel tõhusa vahetuskiirusuga.
Kuidas arendajad valivad oma projektile protokolli? Kõik kaasaegsed vahetusprotokollid tagavad piisavalt kõrge jõudluse, seetõttu põhineb tootja valik tihti mitte niivõrd vahetuskiirusel antud tööstuslikul bussil. Protokolli rakendamine ise ei ole samuti nii oluline, sest süsteemi arendaja jaoks on see ikkagi must karp, mis tagab teatud sisemise vahetuse struktuuri ja ei ole ette nähtud väliseks sekkumiseks. Enamasti pööratakse tähelepanu praktilistele omadustele: arvuti jõudlus, tootja kontseptsiooni mugavuse rakendamine antud ülesandele, vajalike sisend-väljundmodulite olemasolu, võimalus vahetada mooduleid kuumalt ilma bussi katkestamata jne.
Populaarsed seadmete tootjad pakuvad oma versioone tööstusprotokollidest: näiteks tuntud ettevõte Siemens arendab oma Profinet ja Profibus protokollide seeriat, B&R ettevõte – protokolli Powerlink, Rockwell Automation – protokolli EtherNet/IP. Venemaa lahendustest on sellesse seadmesse võetud näiteks venelaste Fastwel versioon protokollist FBUS.
On ka universaalsemaid lahendusi, mis ei ole seotud konkreetse tootjaga, näiteks EtherCAT ja CAN. Uurime neid protokolle süvitsi ning vaatame, millised neist sobivad paremini konkreetseteks rakendusteks: autotehnika ja kosmosetööstuse, elektroonikatootmise, positsioneerimissüsteemide ja robootika valdkonnas. Jääge meiega!
Allikas: habr.com
