Kindlasti teavad paljud teist või on isegi näinud, kuidas juhitakse suuri automatiseeritud objekte, näiteks tuumaelektrijaam või paljude tehnoloogiliste liinidega tehas: põhitegevus toimub sageli suures ruumis, kus on hunnik ekraane, elektripirne. ja kaugjuhtimispuldid. Seda juhtimiskompleksi nimetatakse tavaliselt peamiseks juhtimisruumiks - tootmisüksuse juhtimise peamiseks juhtpaneeliks.
Kindlasti mõtlesite, kuidas see kõik riist- ja tarkvaraliselt toimib, mille poolest need süsteemid tavapärastest personaalarvutitest erinevad. Käesolevas artiklis vaatleme, kuidas jõuavad erinevad andmed peamisse juhtimisruumi, kuidas antakse seadmetele käsklusi ning mida on üldiselt vaja kompressorijaama, propaani tootmisüksuse, auto koosteliini või isegi reovee pumpamisseade.
Alumine kiht ehk välibuss on koht, kust kõik saab alguse
Seda asjatundmatute jaoks ebaselget sõnade komplekti kasutatakse siis, kui on vaja kirjeldada mikrokontrollerite sidevahendeid alluvate seadmetega, näiteks I / O moodulite või mõõteseadmetega. Tavaliselt nimetatakse seda sidekanalit "väljasiiniks", kuna see vastutab "väljalt" tulevate andmete edastamise eest kontrollerile.
“Põld” on sügav erialane termin, mis viitab sellele, et osa seadmeid (näiteks andurid või täiturmehhanismid), millega kontroller suhtleb, on kuskil kaugel-kaugel, tänaval, põldudel, öökatte all. Ja pole oluline, et andur võib asuda kontrollerist poole meetri kaugusel ja mõõta näiteks temperatuuri automaatikakapis, seda peetakse ikkagi "põllul". Kõige sagedamini ületavad sisend- ja väljundmoodulitesse tulevate andurite signaalid kümnete kuni sadade meetrite (ja mõnikord ka rohkem) kaugusi, kogudes teavet kaugematelt saitidelt või seadmetelt. Seetõttu nimetatakse vahetussiini, mille kaudu kontroller nendelt samadelt anduritelt väärtusi saab, tavaliselt väljasiiniks või harvemini madalama taseme siiniks või tööstussiiniks.
Tööstusrajatise automatiseerimise üldskeem
Seega liigub anduri elektrisignaal teatud vahemaa mööda kaabliliine (tavaliselt mööda tavalist vaskkaablit, millel on teatud arv südamikke), millega on ühendatud mitu andurit. Seejärel siseneb signaal töötlemismoodulisse (sisend-väljundmoodul), kus see muundatakse kontrollerile arusaadavasse digitaalsesse keelde. Edasi läheb see signaal väljasiini kaudu otse kontrollerisse, kus seda lõpuks töödeldakse. Selliste signaalide põhjal ehitatakse üles mikrokontrolleri enda loogika.
Tipptase: pärjast terve tööjaamani
Tipptase on kõik, mida saab puudutada tavaline surelik operaator, kes protsessi kontrollib. Kõige lihtsamal juhul on ülemine tase lambipirnide ja nuppude komplekt. Lambipirnid annavad operaatorile märku mõnest süsteemis toimuvast sündmusest, nupud annavad kontrollerile käsklusi. Sellist süsteemi nimetatakse sageli "gurlandiks" või "jõulupuuks", kuna see näeb välja väga sarnane (nagu näete artikli alguses olevast fotost).
Kui operaatoril on rohkem õnne, siis tipptasemena saab ta kätte operaatoripaneeli - mingi lameekraaniga arvuti, mis saab kuidagi kontrollerilt kuvamiseks andmeid ja kuvab need ekraanile. Tavaliselt paigaldatakse selline paneel automaatikakapile endale, nii et tavaliselt tuleb sellega suhelda seistes, mis tekitab ebamugavusi, lisaks jätab soovida pildi kvaliteet ja suurus väikeseformaadilistel paneelidel.
Ja lõpuks, enneolematu suuremeelsusega atraktsioon - tööjaam (või isegi mitu duplikaati), mis on tavaline personaalarvuti.
Tipptasemel seadmed peavad mikrokontrolleriga kuidagi suhtlema (muidu milleks seda vaja on?). Sellise suhtluse jaoks kasutatakse kõrgema taseme protokolle ja teatud edastusmeediumi, näiteks Ethernet või UART. Jõulupuu puhul pole selliseid täiustusi muidugi vaja, pirnid süüdatakse tavaliste füüsiliste liinide abil, seal puuduvad keerukad liidesed ja protokollid.
Üldiselt on see tipptase vähem huvitav kui välibuss, kuna seda tipptaset ei pruugi üldse eksisteerida (operaatoril pole sarjast midagi vaadata, kontroller mõtleb välja, mida ja kuidas teha).
"Iidsed" andmeedastusprotokollid: Modbus ja HART
Vähesed teavad, kuid maailma loomise seitsmendal päeval ei puhkanud Jumal, vaid lõi Modbuse. Koos HART-protokolliga on Modbus ehk vanim tööstuslik sideprotokoll, see ilmus juba 1979. aastal.
Jadaliidest kasutati algselt edastuskandjana, seejärel rakendati Modbus TCP / IP kaudu. See on sünkroonne ülem-alluv (master-slave) protokoll, mis kasutab päringu-vastuse põhimõtet. Protokoll on üsna raske ja aeglane, vahetuskurss sõltub vastuvõtja ja saatja omadustest, kuid tavaliselt on skoor peaaegu sadu millisekundeid, eriti kui seda realiseerida jadaliidese kaudu.
Veelgi enam, Modbusi andmeedastusregister on 16-bitine, mis seab kohe piirangud reaal- ja topelttüüpide edastamisele. Neid edastatakse kas osade kaupa või täpsuse kadumisega. Kuigi Modbusi kasutatakse endiselt laialdaselt juhtudel, kui kõrget vahetuskurssi pole vaja ja edastatud andmete kadumine pole kriitiline. Paljudele erinevate seadmete tootjatele meeldib Modbusi protokolli laiendada oma ainulaadsel ja väga originaalsel viisil, lisades mittestandardseid funktsioone. Seetõttu on sellel protokollil palju mutatsioone ja kõrvalekaldeid normist, kuid see elab endiselt edukalt tänapäeva maailmas.
HART-protokoll on samuti kasutusel olnud alates 4. aastatest, see on tööstuslik sideprotokoll kahejuhtmelise vooluahela kaudu, mis ühendab otse 20-XNUMX mA saatjaid ja muid HART-toega seadmeid.
HART-liinide vahetamiseks kasutatakse spetsiaalseid seadmeid, nn HART-modemid. Samuti on olemas muundurid, mis pakuvad väljundis kasutajale näiteks Modbusi protokolli.
HART on tähelepanuväärne ehk selle poolest, et lisaks 4-20 mA andurite analoogsignaalidele edastatakse ahelas ka protokolli enda digitaalne signaal, mis võimaldab ühendada digitaalsed ja analoogosad ühte kaablisse. rida. Kaasaegseid HART-modemid saab ühendada kontrolleri USB-porti, ühendada Bluetoothiga või vanal viisil jadapordi kaudu. Kümmekond aastat tagasi ilmus analoogselt Wi-Fi-ga WirelessHART traadita standard, mis töötab ISM-sagedusalas.
Teise põlvkonna protokollid või mitte päris tööstuslikud siinid ISA, PCI (e) ja VME
Modbus- ja HART-protokollid on asendatud mittetööstuslike siinidega, nagu ISA (MicroPC, PC/104) või PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), samuti VME.
Kätte on jõudnud kalkulaatorite ajastu, mille käsutuses on universaalne andmeedastussiin, kuhu saab ühendada erinevaid tahvleid (mooduleid) teatud ühtse signaali töötlemiseks. Reeglina sisestatakse sel juhul protsessorimoodul (arvuti) nn raami, mis tagab siini interaktsiooni teiste seadmetega. Raami või, nagu tõelised automatisaatorid armastavad seda nimetada, "kasti" on täiendatud vajalike I / O plaatidega: analoog, diskreetne, liides jne või liimitakse see kõik ilma võileiva kujul kokku. raam - üks laud teise kohal. Peale seda suhtleb see siinil olev sort (ISA, PCI jne) protsessori mooduliga, mis seega saab anduritelt infot ja realiseerib mingi loogika.
Kontroller ja I/O moodulid PXI raamis PCI siinil. Allikas:
Nende ISA, PCI (e) ja VME siinidega oleks kõik korras, eriti nendel aegadel: vahetuskurss ei lähe paigast ja süsteemi komponendid asuvad ühes kaadris, kompaktsed ja mugavad, ei pruugi olla kuumavahetust. I/O kaardid, aga ikka väga ei taha.
Aga kärbes on salvis ja mitte üks. Sellises konfiguratsioonis on hajutatud süsteemi ehitamine üsna keeruline, vahetussiin on lokaalne, tuleb midagi välja mõelda, et vahetada andmeid teiste alam- või partnersõlmedega, sama Modbus TCP / IP või mõne muu protokolli kaudu. üldiselt ei ole piisavalt mugavusi. Noh, teine asi pole eriti meeldiv: I / O-plaadid ootavad tavaliselt sisendiks mingit ühtset signaali ja neil pole väliseadmetega galvaanilist isolatsiooni, seega peate aia tarastama mitmesuguste konversioonimoodulite ja vahelülitustega, mis muudab elemendi baasi oluliselt keerulisemaks.
Vahepealsed signaali muundamismoodulid galvaanilise isolatsiooniga. Allikas:
"Aga väljasiini sideprotokoll?" - te küsite. Aga ei midagi. Selles teostuses seda ei eksisteeri. Kaabliliinide kaudu läheb signaal anduritelt signaalimuunduritesse, muundurid väljundpinge diskreetsele või analoogsele I/O-plaadile ning plaadilt pärinevaid andmeid loetakse juba OS-i abil I/O-portide kaudu. . Ja ei mingeid spetsiaalseid protokolle.
Kuidas töötavad kaasaegsed tööstusbussid ja -protokollid
Mis nüüd? Tänaseks on automatiseeritud süsteemide ehitamise klassikaline ideoloogia veidi muutunud. Oma osa mängisid paljud tegurid, alates sellest, et seda peaks olema mugav ka automatiseerida, lõpetades trendiga hajutatud automatiseeritud süsteemide poole, mille sõlmed on üksteisest eemal.
Võib-olla võime öelda, et tänapäeval on hooneautomaatikasüsteemide jaoks kaks peamist kontseptsiooni: lokaliseeritud ja hajutatud automatiseeritud süsteemid.
Lokaliseeritud süsteemide puhul, kus andmete kogumine ja juhtimine on koondatud ühte kindlasse kohta, on nõutud teatud sisend-väljundmoodulite komplekti, mis on omavahel ühendatud ühise kiire siiniga, sealhulgas oma vahetusprotokolliga kontroller, kontseptsioon. Sel juhul sisaldavad I / O moodulid reeglina nii signaalimuundurit kui ka galvaanilist isolatsiooni (kuigi muidugi mitte alati). See tähendab, et lõppkasutajale piisab, kui mõistab, mis tüüpi andureid ja mehhanisme automatiseeritud süsteemis on, loendab erinevat tüüpi signaalide jaoks vajalike I / O moodulite arvu ja ühendab need kontrolleriga ühte ühisesse liini. . Sel juhul kasutab iga tootja reeglina oma lemmikvahetusprotokolli I / O moodulite ja kontrolleri vahel ning valikuid võib olla palju.
Hajussüsteemide puhul on kõik lokaliseeritud süsteemide kohta öeldu tõsi, välja arvatud see, on oluline, et üksikud komponendid, näiteks I / O moodulite komplekt pluss teabe kogumise ja edastamise seade - mitte eriti nutikas mikrokontroller, mis seisab kuskil põllul putkas, õli välja lülitava kraana kõrval, võiks efektiivse vahetuskursiga suhelda samade sõlmedega ja suure vahemaa kaugusel asuva põhikontrolleriga.
Kuidas arendajad oma projektile protokolli valivad? Kõik kaasaegsed vahetusprotokollid tagavad üsna suure kiiruse, nii et sageli ei määra konkreetse tootja valikut selle sama tööstusbussi vahetuskurss. Protokolli enda rakendamine pole nii oluline, sest süsteemiarendaja seisukohalt jääb see ikkagi mustaks kastiks, mis annab teatud sisemise vahetusstruktuuri ja ei ole mõeldud väliste häirete jaoks. Kõige sagedamini pööratakse tähelepanu praktilistele omadustele: kalkulaatori jõudlus, tootja kontseptsiooni ülesande rakendamise mugavus, vajalike sisend-väljundmoodulite tüüpide olemasolu, moodulite kuumvahetusvõimalus ilma siini katkestamata. , jne.
Populaarsed seadmete müüjad pakuvad tööstusprotokollide enda teostusi: näiteks tuntud ettevõte Siemens arendab oma Profinet ja Profibus protokollide seeriat, B&R arendab Powerlinki protokolli, Rockwell Automation arendab EtherNet / IP protokolli. Kodumaine lahendus selles näidete loendis: Venemaa ettevõtte Fastweli FBUS-protokolli versioon.
On ka universaalsemaid lahendusi, mis ei ole konkreetse tootjaga seotud, näiteks EtherCAT ja CAN. Uurime neid protokolle üksikasjalikult käesolevas artiklis hiljem ja vaatame, millised sobivad konkreetsete rakenduste jaoks kõige paremini: autotööstus, lennundus, elektroonika, positsioneerimissüsteemid ja robootika. Ühendust pidama!
Allikas: www.habr.com