اتوبوس ها و پروتکل ها در اتوماسیون صنعتی: چگونه همه کار می کند

مطمئناً بسیاری از شما می‌دانید یا حتی دیده‌اید که چگونه اجسام خودکار بزرگ کنترل می‌شوند، به عنوان مثال، یک نیروگاه هسته‌ای یا یک کارخانه با خطوط تولید زیاد: عمل اصلی اغلب در یک اتاق بزرگ، با دسته‌ای از صفحه‌نمایش، لامپ انجام می‌شود. و کنترل از راه دور این مجموعه کنترل معمولاً اتاق کنترل اصلی - پانل کنترل اصلی برای نظارت بر تأسیسات تولید نامیده می شود.

مطمئناً برای شما این سوال پیش آمده بود که این همه از نظر سخت افزاری و نرم افزاری چگونه کار می کند، این سیستم ها چه تفاوتی با رایانه های شخصی معمولی دارند. در این مقاله، نحوه رسیدن داده‌های مختلف به اتاق کنترل اصلی، نحوه ارسال دستورات به تجهیزات و آنچه به طور کلی برای کنترل یک ایستگاه کمپرسور، یک کارخانه تولید پروپان، یک خط مونتاژ خودرو یا حتی یک دستگاه مورد نیاز است را بررسی خواهیم کرد. کارخانه پمپاژ فاضلاب

پایین ترین سطح یا فیلدباس جایی است که همه چیز شروع می شود

این مجموعه کلمات، که برای افراد ناآشنا مشخص نیست، زمانی استفاده می شود که برای توصیف وسایل ارتباطی بین میکروکنترلرها و تجهیزات زیرمجموعه، به عنوان مثال، ماژول های I/O یا دستگاه های اندازه گیری ضروری باشد. به طور معمول این کانال ارتباطی "فیلد باس" نامیده می شود زیرا وظیفه انتقال داده هایی را که از "فیلد" به کنترل کننده می رسد را بر عهده دارد.

"میدان" یک اصطلاح حرفه ای عمیق است که به این واقعیت اشاره دارد که برخی از تجهیزات (به عنوان مثال، سنسورها یا محرک ها) که کنترل کننده با آنها تعامل دارد، در جایی دور، دور، در خیابان، در مزرعه، زیر پوشش شب قرار دارند. . و مهم نیست که سنسور می تواند در نیم متری کنترلر قرار داشته باشد و مثلاً دما را در یک کابینت اتوماسیون اندازه گیری کند ، هنوز هم در نظر گرفته می شود که "در میدان" است. اغلب، سیگنال‌های حسگرهایی که به ماژول‌های ورودی/خروجی می‌رسند، همچنان مسافت‌هایی از ده‌ها تا صدها متر (و گاهی اوقات بیشتر) را طی می‌کنند و اطلاعات را از سایت‌ها یا تجهیزات از راه دور جمع‌آوری می‌کنند. در واقع، به همین دلیل است که گذرگاه مبادله‌ای که کنترل‌کننده از طریق آن مقادیر را از همین حسگرها دریافت می‌کند، معمولاً یک گذرگاه میدانی یا کمتر معمول، یک گذرگاه سطح پایین یا یک گذرگاه صنعتی نامیده می‌شود.

طرح کلی اتوماسیون یک تاسیسات صنعتی

بنابراین، سیگنال الکتریکی از سنسور مسافت معینی را در امتداد خطوط کابل (معمولاً در امتداد یک کابل مسی معمولی با تعدادی هسته مشخص) طی می کند، که چندین سنسور به آن متصل هستند. سپس سیگنال وارد ماژول پردازش (ماژول ورودی/خروجی) می شود، جایی که به یک زبان دیجیتال قابل درک برای کنترل کننده تبدیل می شود. در مرحله بعد، این سیگنال از طریق گذرگاه فیلد مستقیماً به کنترلر می رود و در نهایت در آنجا پردازش می شود. بر اساس چنین سیگنال هایی، منطق عملیاتی خود میکروکنترلر ساخته می شود.

سطح بالا: از یک گلدسته تا یک ایستگاه کاری کامل

سطح بالایی به همه چیزهایی گفته می شود که توسط یک اپراتور فانی معمولی که فرآیند فن آوری را کنترل می کند، لمس شود. در ساده ترین حالت، سطح بالایی مجموعه ای از چراغ ها و دکمه ها است. لامپ ها به اپراتور در مورد رویدادهای خاصی که در سیستم رخ می دهد سیگنال می دهند، دکمه ها برای صدور دستورات به کنترل کننده استفاده می شوند. این سیستم اغلب "گل گل" یا "درخت کریسمس" نامیده می شود زیرا بسیار شبیه به نظر می رسد (همانطور که در عکس ابتدای مقاله مشاهده می کنید).

اگر اپراتور خوش شانس تر باشد، به عنوان سطح بالا، یک پنل اپراتور دریافت می کند - نوعی کامپیوتر صفحه تخت که به یک روش داده ها را برای نمایش از کنترلر دریافت می کند و آن را روی صفحه نمایش می دهد. چنین پنلی معمولاً بر روی خود کابینت اتوماسیون نصب می شود، بنابراین معمولاً باید در حالت ایستاده با آن تعامل داشته باشید که باعث ناراحتی می شود، به علاوه کیفیت و اندازه تصویر در پانل های با فرمت کوچک چیزهای زیادی را برای شما باقی می گذارد.

و در نهایت، جاذبه ای از سخاوت بی سابقه - یک ایستگاه کاری (یا حتی چندین نسخه تکراری)، که یک رایانه شخصی معمولی است.

تجهیزات سطح بالا باید به نحوی با میکروکنترلر تعامل داشته باشند (در غیر این صورت چرا به آن نیاز است؟). برای چنین تعاملی، از پروتکل های سطح بالا و یک رسانه انتقال خاص، به عنوان مثال، اترنت یا UART استفاده می شود. در مورد "درخت کریسمس"، البته، چنین پیچیدگی هایی ضروری نیست؛ لامپ ها با استفاده از خطوط فیزیکی معمولی روشن می شوند، هیچ رابط یا پروتکل پیچیده ای در آنجا وجود ندارد.

به طور کلی، این سطح بالا نسبت به فیلد باس جالب کمتر است، زیرا ممکن است این سطح بالا اصلا وجود نداشته باشد (چیزی برای اپراتور وجود ندارد که از سری به آن نگاه کند؛ خود کنترلر متوجه خواهد شد که چه کاری باید انجام شود و چگونه انجام شود. ).

پروتکل های انتقال داده "قدیمی": Modbus و HART

کمتر کسی می داند، اما در روز هفتم خلقت جهان، خداوند آرام نگرفت، بلکه مدبوس را آفرید. همراه با پروتکل HART، Modbus شاید قدیمی ترین پروتکل انتقال داده صنعتی باشد؛ این پروتکل در سال 1979 ظاهر شد.

رابط سریال در ابتدا به عنوان یک رسانه انتقال استفاده شد، سپس Modbus از طریق TCP/IP پیاده سازی شد. این یک پروتکل همزمان master-slave (master-slave) است که از اصل درخواست-پاسخ استفاده می کند. پروتکل کاملاً دست و پا گیر و کند است، سرعت تبادل به ویژگی های گیرنده و فرستنده بستگی دارد، اما معمولاً شمارش تقریباً صدها میلی ثانیه است، به خصوص زمانی که از طریق یک رابط سریال پیاده سازی شود.

علاوه بر این، ثبات انتقال داده Modbus 16 بیتی است که بلافاصله محدودیت هایی را برای انتقال انواع واقعی و دوگانه اعمال می کند. آنها یا به صورت قطعات یا با کاهش دقت منتقل می شوند. اگرچه Modbus هنوز به طور گسترده در مواردی استفاده می شود که به سرعت های ارتباطی بالا نیاز نیست و از دست دادن داده های ارسال شده حیاتی نیست. بسیاری از سازندگان دستگاه های مختلف دوست دارند پروتکل Modbus را به روش انحصاری و بسیار اصلی خود گسترش دهند و عملکردهای غیر استاندارد را اضافه کنند. بنابراین، این پروتکل دارای جهش ها و انحرافات زیادی از هنجار است، اما همچنان با موفقیت در دنیای مدرن زندگی می کند.
پروتکل HART نیز از دهه هشتاد وجود داشته است، این یک پروتکل ارتباطی صنعتی روی یک خط حلقه جریان دو سیمه است که مستقیماً سنسورهای 4-20 میلی آمپر و سایر دستگاه های دارای HART را به هم متصل می کند.

برای تعویض خطوط HART از دستگاه های خاصی که اصطلاحا مودم هارت نامیده می شوند استفاده می شود. همچنین مبدل هایی وجود دارند که مثلاً پروتکل Modbus را در خروجی در اختیار کاربر قرار می دهند.

HART شاید به این دلیل قابل توجه باشد که علاوه بر سیگنال های آنالوگ سنسورهای 4-20 میلی آمپر، سیگنال دیجیتال خود پروتکل نیز در مدار منتقل می شود، این به شما امکان می دهد قطعات دیجیتال و آنالوگ را در یک خط کابل متصل کنید. مودم های مدرن HART را می توان به پورت USB کنترلر، از طریق بلوتوث یا به روش قدیمی از طریق پورت سریال متصل کرد. دوازده سال پیش، به قیاس با Wi-Fi، استاندارد بی سیم WirelessHART که در محدوده ISM کار می کرد، ظاهر شد.

نسل دوم پروتکل ها یا اتوبوس های نه کاملا صنعتی ISA، PCI(e) و VME

پروتکل‌های Modbus و HART با اتوبوس‌های نه چندان صنعتی، مانند ISA (MicroPC، PC/104) یا PCI/PCIe (CompactPCI، CompactPCI Serial، StacPC) و همچنین VME جایگزین شده‌اند.

عصر رایانه‌هایی فرا رسیده است که در اختیارشان یک گذرگاه داده جهانی است، جایی که می‌توان بردهای مختلف (ماژول‌ها) را برای پردازش یک سیگنال یکپارچه خاص متصل کرد. به عنوان یک قاعده، در این مورد، ماژول پردازنده (کامپیوتر) به اصطلاح در قاب قرار می گیرد که تعامل از طریق اتوبوس با سایر دستگاه ها را تضمین می کند. قاب، یا همانطور که کارشناسان اتوماسیون واقعی آن را "جعبه" می نامند، با بردهای ورودی-خروجی لازم تکمیل می شود: آنالوگ، گسسته، رابط و غیره، یا همه اینها به شکل یک ساندویچ بدون کنار هم قرار می گیرند. یک قاب - یک تخته روی دیگری. پس از آن، این تنوع در گذرگاه (ISA، PCI، و غیره) داده ها را با ماژول پردازنده مبادله می کند که به این ترتیب اطلاعات را از سنسورها دریافت می کند و مقداری منطق را پیاده سازی می کند.

کنترلر و ماژول های ورودی/خروجی در یک قاب PXI در یک گذرگاه PCI. منبع: شرکت ملی ابزار

همه چیز با این گذرگاه‌های ISA، PCI(e) و VME خوب خواهد بود، مخصوصاً برای آن مواقع: سرعت تبادل ناامیدکننده نیست، و اجزای سیستم در یک قاب قرار گرفته‌اند، جمع‌وجور و راحت هستند، ممکن است قابلیت تعویض داغ وجود نداشته باشد. کارت‌های ورودی/خروجی، اما هنوز واقعاً نمی‌خواهم.

اما یک مگس در مرهم وجود دارد و بیش از یک. ساختن یک سیستم توزیع شده در چنین پیکربندی بسیار دشوار است، گذرگاه تبادل محلی است، شما باید چیزی برای تبادل داده با سایر گره های برده یا همتا، همان Modbus از طریق TCP/IP یا برخی از پروتکل های دیگر در نظر بگیرید. به طور کلی، امکانات کافی وجود ندارد. خوب، دومین مورد نه چندان خوشایند: بردهای ورودی/خروجی معمولاً نوعی سیگنال یکپارچه را به عنوان ورودی انتظار دارند و از تجهیزات میدانی جداسازی گالوانیکی ندارند، بنابراین باید از ماژول های تبدیل مختلف و مدارهای میانی حصاری بسازید. که تا حد زیادی پایه عنصر را پیچیده می کند.

ماژول های تبدیل سیگنال میانی با عایق گالوانیکی. منبع: شرکت دیتافورث

"در مورد پروتکل اتوبوس صنعتی چطور؟" - تو پرسیدی. هیچ چی. در این پیاده سازی وجود ندارد. از طریق خطوط کابل، سیگنال از حسگرها به مبدل سیگنال منتقل می‌شود، مبدل‌ها ولتاژ را به یک برد ورودی/خروجی گسسته یا آنالوگ می‌رسانند و داده‌های برد قبلاً از طریق پورت‌های I/O با استفاده از سیستم عامل خوانده می‌شوند. و بدون پروتکل های تخصصی.

نحوه عملکرد اتوبوس ها و پروتکل های صنعتی مدرن

حالا چی؟ تا به امروز، ایدئولوژی کلاسیک ساخت سیستم های خودکار کمی تغییر کرده است. عوامل زیادی نقش داشتند، از این واقعیت شروع می شود که اتوماسیون نیز باید راحت باشد، و با گرایش به سمت سیستم های خودکار توزیع شده با گره های دور از یکدیگر خاتمه می یابد.

شاید بتوان گفت که امروزه دو مفهوم اصلی برای سیستم های اتوماسیون ساختمان وجود دارد: سیستم های خودکار محلی و توزیع شده.

در مورد سیستم‌های محلی، که در آن جمع‌آوری و کنترل داده‌ها در یک مکان خاص متمرکز است، مفهوم مجموعه خاصی از ماژول‌های ورودی/خروجی که توسط یک گذرگاه سریع مشترک به هم متصل شده‌اند، از جمله یک کنترل‌کننده با پروتکل مبادله خاص خود، مورد تقاضا است. در این مورد، به عنوان یک قاعده، ماژول های I/O شامل مبدل سیگنال و عایق گالوانیکی می شوند (البته، نه همیشه). یعنی کافی است کاربر نهایی بفهمد که چه نوع سنسورها و مکانیسم هایی در سیستم خودکار وجود دارد، تعداد ماژول های ورودی/خروجی مورد نیاز را برای انواع سیگنال ها بشمار و آنها را به یک خط مشترک با کنترلر متصل کند. . در این حالت، به عنوان یک قاعده، هر سازنده از پروتکل تبادل مورد علاقه خود بین ماژول های I/O و کنترلر استفاده می کند و گزینه های زیادی در اینجا وجود دارد.

در مورد سیستم های توزیع شده، هر آنچه در رابطه با سیستم های بومی سازی شده گفته می شود درست است، علاوه بر این، مهم است که اجزای جداگانه، به عنوان مثال، مجموعه ای از ماژول های ورودی-خروجی به اضافه یک دستگاه برای جمع آوری و انتقال اطلاعات - میکروکنترلر بسیار هوشمندی که در جایی در یک غرفه در میدان، در کنار دریچه ای که روغن را خاموش می کند، قرار می گیرد - می تواند با همان گره ها و با کنترل کننده اصلی در فاصله بسیار زیاد با نرخ مبادله موثر تعامل داشته باشد.

توسعه دهندگان چگونه پروتکلی را برای پروژه خود انتخاب می کنند؟ همه پروتکل‌های مبادله مدرن عملکرد نسبتاً بالایی را ارائه می‌کنند، بنابراین انتخاب یک یا دیگر سازنده اغلب با نرخ ارز در این اتوبوس بسیار صنعتی تعیین نمی‌شود. پیاده سازی پروتکل به خودی خود چندان مهم نیست، زیرا از دیدگاه توسعه دهنده سیستم، همچنان یک جعبه سیاه خواهد بود که ساختار تبادل داخلی خاصی را ارائه می دهد و برای تداخل خارجی طراحی نشده است. اغلب به ویژگی های عملی توجه می شود: عملکرد رایانه، سهولت استفاده از مفهوم سازنده برای کار در دست، در دسترس بودن انواع مورد نیاز ماژول های ورودی/خروجی، توانایی تعویض ماژول های داغ بدون شکستن. اتوبوس و غیره

تامین کنندگان تجهیزات محبوب پیاده سازی های خود را از پروتکل های صنعتی ارائه می دهند: به عنوان مثال، شرکت معروف زیمنس در حال توسعه سری پروتکل های Profinet و Profibus خود است، B&R در حال توسعه پروتکل Powerlink، Rockwell Automation در حال توسعه پروتکل EtherNet/IP است. یک راه حل داخلی در این لیست از نمونه ها: نسخه ای از پروتکل FBUS از شرکت روسی Fastwel.

همچنین راه‌حل‌های جهانی تری وجود دارند که به یک سازنده خاص مرتبط نیستند، مانند EtherCAT و CAN. این پروتکل ها را در ادامه مقاله به تفصیل تجزیه و تحلیل خواهیم کرد و متوجه خواهیم شد که کدام یک از آنها برای کاربردهای خاص مناسب تر هستند: صنایع خودروسازی و هوافضا، تولید الکترونیک، سیستم های موقعیت یابی و رباتیک. در تماس باش!

منبع: www.habr.com