Kindlasti on paljud teist näinud või kuulnud, kuidas suured automatiseeritud objektid, näiteks tuumaelektrijaamad või tehased, millel on palju tehnoloogilisi liine, töötavad: peamine tegevus toimub sageli suures ruumis, kus on hulk ekraane, tulukeid ja pultusid. Seda juhtimisseadet nimetatakse tavaliselt GŠU-ks — peamine juhtimisnupp tootmisobjekti jälgimiseks.
Kindlasti olete mõelnud, kuidas see kõik töötab riistvara ja tarkvara osas, millised on nende süsteemide erinevused tavaliste isiklike arvutitega. Selles artiklis uurime, kuidas erinevad andmed jõuavad GŠU-le, kuidas käsklused seadmetele antakse ning mida õieti on vaja, et juhtida kompressorijaama, propaani tootmisüksust, automudeli montaažiliini või isegi kanalisatsiooni- ja pumpamisjaama.
Alustase või välisbuss — see on koht, kust kõik algab
See teadmata sõnavara kasutatakse, kui on vaja kirjeldada mikrokontrollerite suhtlemisvahendeid alamseadmetega, näiteks sisendi- ja väljundmodulite või mõõteseadmetega. Seda suhtlemiskanali nimetatakse tavaliselt „välja bussiks”, kuna see vastutab andmete edastamise eest juhtimisseadmest, mis tulevad „väljast”.
„Põld“ on sügava professionaalse tähendusega mõisted, mis viitab sellele, et mingi seade (nt andurid või täitemehanismid), millega kontroller suhtleb, asub kuskil kaugel, õues, põldudel, öö varjus. Ja ei ole oluline, et andur võib asuda pool meetrit kontrollerist ja mõõta, ütleme, temperatuuri automaatika kapis, ikkagi peetakse seda „põllul“ asuvaks. Enamasti ületavad anduritelt tulevad signaalid sisend-väljundimoodulitesse vahemaid kümnetest kuni sadade meetriteni (ja mõnikord isegi rohkem), kogudes teavet eemalt asuvatelt platsidelt või seadmetelt. Just seetõttu nimetatakse andmete vahetuseks kasutatavat bussisüsteemi, mille kaudu kontroller neid väärtusi saab, tavaliselt välisbussiks või harvemini alumise taseme bussiks või tööstuslikuks bussiks.
Tööstusobjekti automatiseerimise üldskeem
Seega, elektrilise signaali andurist läbimine teatud vahemaa kaudu kaablite (tavaliselt tavalise vaskkaabli, millel on mitu juhiku) kaudu, millele on ühendatud mitmed andurid. Seejärel jõuab signaal töötlemismodulisse (sisend-väljundmodul), kus see muundatakse kontrollerile arusaadavasse digitaalkeelde. Edasi jõuab see signaal maavööndisse, et minna otse kontrollerisse, kus see lõplikult töödeldakse. Selliste signaalide põhjal ehitatakse mikrokontrolleri töölogika.
Ülemine tase: jõulupärg kuni täisväärtusliku tööjaamani
Ülemine tase hõlmab kõike, millega võib tavaline operaator, kes juhib tehnoloogilist protsessi, kokku puutuda. Lihtsaimal juhul esindab ülemine tase tulesid ja nuppe. Tuled annavad operaatorile märku süsteemis toimuvatest sündmustest, nupud teenivad käsuülekandmiseks kontrollerile. Sellist süsteemi kutsutakse sageli "girlandiks" või "kuuseks", sest see näeb välja väga sarnane (nagu võib näha artikli alguses olevast fotost).
Kui operaatoril läheb rohkem vedama, siis saab ta tippkategooriana operaatoripaneeli — teatud tüüpi lameekraaniga arvuti, mis mingil moel edastab andmeid kontrollerilt ja kuvab need ekraanil. Selline paneel on tavaliselt paigaldatud automaatika droogile, mistõttu tuleb selle kasutamiseks enamasti seista, mis tekitab ebamugavusi, lisaks jätab väikeste paneelide pildikvaliteet ja suurus soovida.
Ja lõpuks, näiliselt lõputu heldus — tööjaam (või isegi mitu duplikaati), mis on tavaline isiklik arvuti.
Tippkategooria seadmed peavad mingil moel suhtlema mikrokontrolleriga (muul juhul pole neist mitte mingit kasu). Selleks suhtlemiseks kasutatakse ülemise taseme protokolle ja mingit edastusmeetodit, näiteks, Ethernet või UART. 'Jõulupuuga' ei ole selliseid keerukusi vaja, lambid süttivad lihtsa füüsilise ühenduse kaudu, seal ei ole mingeid keerulisi liideseid ja protokolle.
Üldiselt on see ülemine tase vähem huvitav kui väliskiht, kuna seda ülemist taset võidakse üldse mitte olla (seeria, et operaatoril pole seal midagi vaadata, kontrollija saab iseseisvalt aru, mida ja kuidas teha).
„Ajaloolised” andmeedastusprotokollid: Modbus ja HART
Vähe kes teavad, kuid maailma loomise seitsmendal päeval ei puhkanud Jumal, vaid lõi Modbusi. Koos HART-protokolliga on Modbus tõenäoliselt kõige vanem tööstuslik andmeedastusprotokoll, mis ilmus juba 1979. aastal.
Alguses kasutati edastamiseks järjestikust liidest, hiljem rakendati Modbusi TCP/IP peal. See on sünkroonne protokoll „meistrilt-orjaks” (peamine-alam), mis kasutab „päringu-vasta” põhimõtet. Protokoll on üsna raske ja aeglane, vahetuse kiirus sõltub vastuvõtja ja edastaja omadustest, kuid tavaliselt loetakse see peaaegu sadadesse millisekunditesse, eriti järjestikuse liidese kaudu rakendamisel.
Modbusi andmeedastusprotokoll on 16-bitine, mis seab kohe piirangud real- ja double-tüübi edastusele. Need edastatakse kas osade kaupa või täpsuse kaotusega. Kuigi Modbus on endiselt laialdaselt kasutatav olukordades, kus ei ole vajalik kõrge andmeedastuskiirus ja edastatava info kaotus ei ole kriitiline. Paljud erinevate seadmete tootjad armastavad Modbusi protokolli oma ainulaadsel ja väga originaalsel viisil laiendada, lisades mittestandardseid funktsioone. Seetõttu on sellel protokollil palju mutatsioone ja normist kõrvalekaldeid, kuid see elab siiski edukalt kaasaegses maailmas.
HART-protokoll on samuti olemas alates kahekümnenda sajandi kaheksakümnendatest, see on tööstuslik andmevahetusprotokoll, mis töötaks otse kahe juhtme kaudu ahela, 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 edastavad kasutajale väljundina juba näiteks Modbusi protokolli.
HART on märkimisväärne selle poolest, et lisaks analoogsignaalidele 4-20 mA edastatakse ringis ka protokolli digitaalne signaal, mis võimaldab ühendada digitaalset ja analoogset osa ühes kaabeldusliinis. Kaasaegsed HART-modemid saavad ühenduda kontrolleri USB-porti, ühendada Bluetooth'i kaudu või kasutada vanamoelist meetodit seeriaporti. Toona, kümme aastat tagasi, ilmus paralleelselt Wi-Fi'ga ka juhtmevaba standard WirelessHART, mis töötab ISM sagedusalas.
Teine põlvkond protokolle või mitte just tööstuslikud bussid ISA, PCI(e) ja VME
Modbus ja HART protokollidele on alternatiiviks tulnud mitte just tööstuslikud bussid, nagu ISA (MicroPC, PC/104) või PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), samuti VME.
On jõudnud aeg, mil arvutitel on universaalne andmeedastusbus, kuhu saab ühendada erinevaid plaate (module) ühise signaali töötlemiseks. Tüüpiliselt sisestatakse protsessorimoodul (arvuti) nii-öelda karkassi, mis tagab bussil suhtlemise teiste seadmete abil. Karkass, või kuidas armastavad seda nimetada ehtsad automatiseerijad, "kreit", täiendatakse vajalike sisendi-väljundi plaatidega: analoogsete, diskreetsete, liidese jne, või liidetakse see kõik kokku nagu võileib ilma karkassita — üks plaat teise peal. Pärast seda vahetab see mitmekesisus bussil (ISA, PCI jne) andmeid protsessorimooduliga, mis omakorda saab teavet anduritelt ja rakendab mingit loogikat.
PXI karkassi kaudu PCI bussil olev kontroller ja sisendi-väljundi moodulid. Allikas:
Kõik oleks hästi nende ISA, PCI(e) ja VME bussidega, eriti tolle aja jaoks: andmeedastuskiirus ei ole kehv ning süsteemi komponendid on kompaktsetes ja mugavates raamistikes, kuigi sisend- ja väljundkaartide kuumavahetust ei pruugi olla, pole see praegu ka väga vajalik.
Aga on siiski ka üks, mitte üksnes, mure. Jaotatud süsteemi on sellises konfiguratsioonis üsna keeruline üles ehitada; buss on kohaliku tasandi, seega tuleb välja mõelda, kuidas andmeid vahetada teiste alam- või võrdsete sõlmede vahel, näiteks Modbus TCP/IP peal või mõne muu protokolli abil; üldiselt on mugavusi vähe. Ja teine, mitte eriti meeldiv asi: sisend- ja väljundkaardid ootavad tavaliselt mingit ühtset signaali ning neil puudub galvaniline isolatsioon välisseadmestikuga, mistõttu tuleb ehitada erinevatest muundamismoodulitest ja vahekomplektidest aiakujundus, mis suurendab elementide keerukust.
Galvanilise isolatsiooniga signaali muundamismodulid. Allikas:
„Aga kuidas on tööstuslikku bussi vahetusprotokolliga?“ — küsid sa. Aga mitte millegagi. Sellises teostuses pole seda olemas. Signaalid jõuavad anduritelt signaalimuunduriteni kaabliühenduste kaudu, muundurid annavad pinge välja diskreetsele või analoogeelisele sisend/väljundplaadile, ja andmed loetakse plaadilt juba sisend/väljundportide kaudu operatsioonisüsteemi vahenditega. Ja mingeid spetsialiseeritud protokolle pole.
Kuidas tänapäevased tööstusbussid ja protokollid töötavad
Mis nüüd? Praeguseks päevaks on klassikaline automatiseeritud süsteemide ehituse ideoloogia veidi muutunud. Siin on mänginud rolli mitmed tegurid, alates sellest, et automatiseerimine peab olema mugav, kuni suundumuseni jaotatud automatiseeritud süsteemide poole, kus sõlmed on teineteisest eemal.
Ilmselt võib öelda, et tänapäeval on automatiseerimise süsteemide ehituseks kaks peamist kontseptsiooni: lokaliseeritud ja jaotatud automatiseeritud süsteemid.
Kohalikes süsteemides, kus andmete kogumine ja haldamine on tsentraliseeritud ühes kindlas kohas, on nõutud mõiste, millega seotakse kokku mitmeid sisendi-väljundi mooduleid, mis on omavahel ühendatud ühise kiires bussisüsteemis, sealhulgas kontroller oma suhtlusprotokolliga. Üldiselt sisaldavad sisendi-väljundi moodulid ka signaalimuundurit ja galvanilist eraldust (kuigi loomulikult mitte alati). See tähendab, et lõppkasutajale piisab, kui mõista, milliseid andureid ja mehhanisme automatiseeritud süsteemis kasutatakse, lugeda vajalike sisendi-väljundi moodulite arvu erinevate signaalitüüpide jaoks ja ühendada need ühte üldisse rea kontrolleriga. Sellisel juhul kasutab iga tootja tavaliselt oma lemmiksuhtlusprotokolli sisendi-väljundi moodulite ja kontrolleri vahel, ning võimalusi on siin palju.
Jagatud süsteemide puhul kehtivad kõik käidud punktid lokaliseeritud süsteemide kohta. Samuti on oluline, et eraldiseisvad komponendid, nagu näiteks sisend- ja väljundmodulite komplekt ning informatsiooni kogumise ja edastamise seade — mitte eriti nutikas mikroprotsessor, mis asub kuskil välitingimustes, kraani kõrval, mis sulgeb nafta — suudaksid suhelda sarnaste sõlmedega ja peamise kontrolleriga pika vahemaa tagant efektiivse andmevahetuse kiirusel.
Kuidas arendajad valivad oma projekti jaoks protokolli? Kõik kaasaegsed andmeedastusprotokollid tagavad üsna kõrge jõudluse, seetõttu põhineb sageli valik pigem tootja praktilistel omadustel kui edastuskiirusel. Protokolli enda rakendamine ei ole samuti nii oluline, sest süsteemi arendaja jaoks on see ikkagi must kast, mis tagab teatud sisemise andmeedastusstruktuuri ja ei ole mõeldud väliseks sekkumiseks. Enamasti pööratakse tähelepanu praktilistele omadustele: arvuti jõudlus, tootja kontseptsiooni rakendamise mugavus antud ülesande puhul, vajalike sisend-väljund moodulite olemasolu, moodulite kuumvahetuse võimalus ilma bussi katkemiseta jne.
Populaarsed varustuse tarnijad pakuvad oma versioone tööstusprotokollidest: näiteks tuntud ettevõte Siemens arendab oma Profinet ja Profibus protokollide seeriat, B&R ettevõte — Powerlink protokolli, Rockwell Automation — Ethernet/IP protokolli. Kodumaine lahendus selles näidete loendis: Venemaa ettevõtte Fastwel versioon FBUS protokollist.
On rohkem universaalseid lahendusi, mis ei ole seotud konkreetse tootjaga, nagu EtherCAT ja CAN. Uurime neid protokolle lähemalt artikli jätkudes ja selgitame, millised neist sobivad paremini spetsiifiliste rakenduste, näiteks autotööstuse, kosmosetööstuse, elektroonikatootmise, positsioneerimisseüsteemide ja robootika jaoks. Püsige ühenduses!
Allikas: habr.com
