Varmasti monet teistä tietävät tai ovat jopa nähneet kuinka suuria automatisoituja kohteita ohjataan, esimerkiksi ydinvoimala tai tehdas, jossa on useita tuotantolinjoja: päätoiminta tapahtuu usein suuressa huoneessa, jossa on kasa näyttöjä, hehkulamppuja ja kaukosäätimet. Tätä ohjauskompleksia kutsutaan yleensä päävalvomoksi - pääohjauspaneeliksi tuotantolaitoksen valvontaa varten.
Varmasti mietit, miten se kaikki toimii laitteiston ja ohjelmiston suhteen, miten nämä järjestelmät eroavat perinteisistä henkilökohtaisista tietokoneista. Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka eri data pääsee päävalvomoon, miten komennot lähetetään laitteisiin ja mitä yleensä tarvitaan kompressoriaseman, propaanin tuotantolaitoksen, auton kokoonpanolinjan tai jopa viemärin pumppaamo.
Alimmasta tasosta eli kenttäväylästä kaikki alkaa
Tätä tietämättömälle epäselvää sanajoukkoa käytetään, kun on tarpeen kuvailla mikro-ohjainten ja alaisten laitteiden, esimerkiksi I/O-moduulien tai mittauslaitteiden välisiä kommunikaatiotapoja. Tyypillisesti tätä viestintäkanavaa kutsutaan "kenttäväyläksi", koska se on vastuussa "kentältä" tulevan tiedon lähettämisestä ohjaimelle.
"Kenttä" on syvä ammattitermi, joka viittaa siihen, että jotkin laitteet (esim. anturit tai toimilaitteet), joiden kanssa ohjain on vuorovaikutuksessa, sijaitsevat jossain kaukana, kaukana, kadulla, pelloilla, yön varjossa. . Eikä sillä ole väliä, että anturi voi sijaita puolen metrin päässä ohjaimesta ja mitata esimerkiksi lämpötilaa automaatiokaapissa, sen katsotaan silti olevan "kentällä". Useimmiten I/O-moduuleille saapuvien antureiden signaalit kulkevat edelleen kymmenistä satoihin metriin (ja joskus enemmänkin) kerääen tietoa etäisistä paikoista tai laitteista. Itse asiassa siksi vaihtoväylää, jonka kautta säädin vastaanottaa arvoja samoista antureista, kutsutaan yleensä kenttäväyläksi tai harvemmin alemman tason väyläksi tai teollisuusväyläksi.
Teollisuuslaitoksen automaation yleinen kaavio
Joten anturin sähköinen signaali kulkee tietyn matkan kaapelilinjoja pitkin (yleensä pitkin tavallista kuparikaapelia, jossa on tietty määrä ytimiä), joihin on kytketty useita antureita. Sitten signaali menee prosessointimoduuliin (tulo/lähtömoduuli), jossa se muunnetaan ohjaimen ymmärtämäksi digitaaliseksi kieleksi. Seuraavaksi tämä signaali menee kenttäväylän kautta suoraan säätimeen, jossa se lopulta käsitellään. Tällaisten signaalien perusteella rakennetaan itse mikro-ohjaimen toimintalogiikka.
Huipputaso: seppeleestä koko työasemaan
Ylempää tasoa kutsutaan kaikeksi, mitä teknistä prosessia ohjaava tavallinen kuolevainen toimija voi koskea. Yksinkertaisimmassa tapauksessa ylin taso on sarja valoja ja painikkeita. Hehkulamput ilmoittavat käyttäjälle tietyistä järjestelmässä tapahtuvista tapahtumista, painikkeilla annetaan komentoja ohjaimelle. Tätä järjestelmää kutsutaan usein "seppeleeksi" tai "joulukuuseksi", koska se näyttää hyvin samanlaiselta (kuten näet artikkelin alussa olevasta valokuvasta).
Jos käyttäjä on onnellisempi, niin hän saa ylimmäksi tasoksi käyttöpaneelin - eräänlaisen litteän tietokoneen, joka tavalla tai toisella vastaanottaa dataa näyttöä varten ohjaimelta ja näyttää sen näytöllä. Tällainen paneeli asennetaan yleensä itse automaatiokaappiin, joten joudut yleensä olemaan vuorovaikutuksessa sen kanssa seistessä, mikä aiheuttaa haittaa, ja pienikokoisten paneelien kuvan laatu ja koko jättävät paljon toivomisen varaa.
Ja lopuksi, ennennäkemättömän anteliaisuuden vetovoima - työasema (tai jopa useita kaksoiskappaleita), joka on tavallinen henkilökohtainen tietokone.
Ylemmän tason laitteiden on oltava jollain tavalla vuorovaikutuksessa mikro-ohjaimen kanssa (mihin sitä muuten tarvitaan?). Tällaiseen vuorovaikutukseen käytetään ylemmän tason protokollia ja tiettyä siirtovälinettä, esimerkiksi Ethernet tai UART. ”Joulupuun” tapauksessa sellaiset hienostuneisuudet eivät tietenkään ole välttämättömiä, hehkulamput sytytetään tavallisilla fyysisillä linjoilla, siellä ei ole hienostuneita rajapintoja tai protokollia.
Yleisesti ottaen tämä ylempi taso on vähemmän kiinnostava kuin kenttäväylä, koska tätä ylempää tasoa ei välttämättä ole ollenkaan (operaattorilla ei ole mitään katsottavaa sarjasta, ohjain itse selvittää mitä on tehtävä ja miten ).
"Ancient" tiedonsiirtoprotokollat: Modbus ja HART
Harvat ihmiset tietävät, mutta seitsemäntenä maailman luomispäivänä Jumala ei lepää, vaan loi Modbusin. HART-protokollan ohella Modbus on ehkä vanhin teollinen tiedonsiirtoprotokolla; se ilmestyi vuonna 1979.
Sarjaliitäntää käytettiin alun perin siirtovälineenä, sitten Modbus toteutettiin TCP/IP:n kautta. Tämä on synkroninen master-slave (master-slave) -protokolla, joka käyttää pyyntö-vastaus -periaatetta. Protokolla on melko hankala ja hidas, vaihtonopeus riippuu vastaanottimen ja lähettimen ominaisuuksista, mutta yleensä laskenta on lähes satoja millisekunteja, varsinkin sarjaliitännän kautta toteutettuna.
Lisäksi Modbus-tiedonsiirtorekisteri on 16-bittinen, mikä asettaa välittömästi rajoituksia todellisen ja kaksoistyypin siirtoon. Ne lähetetään joko osissa tai tarkkuuden menetyksellä. Vaikka Modbus on edelleen laajalti käytössä tapauksissa, joissa suuria tiedonsiirtonopeuksia ei tarvita ja lähetetyn tiedon menetys ei ole kriittistä. Monet eri laitteiden valmistajat haluavat laajentaa Modbus-protokollaa omalla ainutlaatuisella ja erittäin alkuperäisellä tavallaan lisäämällä epästandardeja toimintoja. Siksi tällä protokollalla on monia mutaatioita ja poikkeamia normista, mutta se elää silti menestyksekkäästi nykymaailmassa.
HART-protokolla on myös ollut käytössä 4-luvulta lähtien, se on teollinen viestintäprotokolla kaksijohtimisvirtasilmukkalinjan yli, joka yhdistää suoraan 20-XNUMX mA anturit ja muut HART-yhteensopivia laitteita.
HART-linjojen kytkemiseen käytetään erikoislaitteita, niin kutsuttuja HART-modeemeja. On myös muuntimia, jotka tarjoavat käyttäjälle esimerkiksi Modbus-protokollan lähdössä.
HART on ehkä huomionarvoinen siitä, että 4-20 mA antureiden analogisten signaalien lisäksi piirissä välitetään myös itse protokollan digitaalinen signaali, mikä mahdollistaa digitaalisen ja analogisen osan kytkemisen yhteen kaapelilinjaan. Nykyaikaiset HART-modeemit voidaan liittää ohjaimen USB-porttiin, Bluetoothin kautta tai vanhaan tapaan sarjaportin kautta. Kymmenen vuotta sitten, analogisesti Wi-Fi:n kanssa, ISM-alueella toimiva langaton WirelessHART-standardi ilmestyi.
Toisen sukupolven protokollia tai ei aivan teollisuusväyliä ISA, PCI(e) ja VME
Modbus- ja HART-protokollat on korvattu ei aivan teollisilla väylillä, kuten ISA (MicroPC, PC/104) tai PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) sekä VME.
On tullut sellaisten tietokoneiden aikakausi, joilla on käytössään yleinen dataväylä, johon voidaan liittää erilaisia kortteja (moduuleja) käsittelemään tiettyä yhtenäistä signaalia. Pääsääntöisesti tässä tapauksessa prosessorimoduuli (tietokone) työnnetään ns. kehykseen, mikä varmistaa vuorovaikutuksen väylän kautta muiden laitteiden kanssa. Runkoa tai, kuten todelliset automaation asiantuntijat haluavat kutsua, "laatikko" on täydennetty tarvittavilla tulo-lähtökorteilla: analoginen, diskreetti, liitäntä jne., tai kaikki tämä kootaan sandwich-muodossa ilman kehys - yksi lauta toisen päälle. Tämän jälkeen tämä väylällä oleva lajike (ISA, PCI jne.) vaihtaa tietoja prosessorimoduulin kanssa, joka siten vastaanottaa tietoa antureilta ja toteuttaa jonkin verran logiikkaa.
Ohjain ja I/O-moduulit PXI-kehyksessä PCI-väylällä. Lähde:
Näillä ISA-, PCI(e)- ja VME-väylillä kaikki olisi hyvin, varsinkin noihin aikoihin: vaihtonopeus ei ole pettymys, ja järjestelmäkomponentit sijaitsevat samassa kehyksessä, kompaktit ja kätevät, ei välttämättä ole hot-swap-kelpoisia I/O-kortit, mutta en todellakaan vielä halua.
Mutta kärpänen on voidessa, ja enemmän kuin yksi. Hajautetun järjestelmän rakentaminen tällaisessa kokoonpanossa on melko vaikeaa, vaihtoväylä on paikallinen, sinun on keksittävä jotain tietojen vaihtamiseksi muiden orja- tai vertaissolmujen kanssa, sama Modbus TCP/IP:n kautta tai muussa protokollassa, Yleisesti ottaen mukavuudet eivät riitä. No, toinen ei kovin miellyttävä asia: I/O-kortit odottavat yleensä jonkinlaista yhtenäistä signaalia tulona, eikä niissä ole galvaanista eristystä kenttälaitteista, joten sinun täytyy tehdä aita erilaisista muunnosmoduuleista ja välipiireistä, mikä monimutkaistaa elementtipohjaa suuresti.
Keskitason signaalinmuunnosmoduulit galvaanisella erotuksella. Lähde:
"Entä teollisuusväyläprotokolla?" - kysyt. Ei mitään. Sitä ei ole tässä toteutuksessa. Kaapelilinjojen kautta signaali kulkee antureilta signaalimuuntimille, muuntimet syöttävät jännitettä erilliselle tai analogiselle I/O-kortille ja kortilta tulevat tiedot luetaan jo I/O-porttien kautta käyttöjärjestelmän avulla. Eikä mitään erikoistuneita protokollia.
Kuinka nykyaikaiset teollisuusbussit ja protokollat toimivat
Mitä nyt? Tähän mennessä klassinen ideologia automatisoitujen järjestelmien rakentamisesta on muuttunut hieman. Monet tekijät vaikuttivat siihen, alkaen siitä, että automaation pitäisi olla myös kätevää, ja päättyen trendiin kohti hajautettuja automatisoituja järjestelmiä, joissa solmut ovat kaukana toisistaan.
Ehkä voimme sanoa, että rakennusautomaatiojärjestelmissä on nykyään kaksi pääkonseptia: lokalisoidut ja hajautetut automatisoidut järjestelmät.
Paikallisissa järjestelmissä, joissa tiedonkeruu ja ohjaus on keskitetty yhteen tiettyyn paikkaan, tietyn yhteisen nopean väylän avulla yhdistettyjen tulo/lähtömoduulien konsepti, mukaan lukien ohjain omalla vaihtoprotokollallaan, on kysyntää. Tässä tapauksessa I/O-moduulit sisältävät pääsääntöisesti sekä signaalinmuuntimen että galvaanisen eristyksen (tosin ei tietenkään aina). Eli loppukäyttäjälle riittää, että ymmärtää, minkä tyyppisiä antureita ja mekanismeja automatisoidussa järjestelmässä on, laskee tarvittavien tulo/lähtömoduulien lukumäärän erityyppisille signaaleille ja yhdistää ne yhdeksi yhteiseksi linjaksi ohjaimen kanssa. . Tässä tapauksessa jokainen valmistaja käyttää pääsääntöisesti suosikkivaihtoprotokollaansa I/O-moduulien ja ohjaimen välillä, ja tässä voi olla paljon vaihtoehtoja.
Hajautetuissa järjestelmissä kaikki mitä puhutaan lokalisoitujen järjestelmien suhteen on totta, lisäksi on tärkeää, että yksittäiset komponentit, esimerkiksi joukko tulo-lähtömoduuleja sekä tiedonkeruu- ja tiedonsiirtolaite - ei erittäin älykäs mikro-ohjain, joka seisoo jossain kopissa pellolla, öljyn sulkevan venttiilin vieressä - voisi olla vuorovaikutuksessa samojen solmujen kanssa ja pääohjaimen kanssa suurella etäisyydellä tehokkaalla vaihtokurssilla.
Miten kehittäjät valitsevat protokollan projektilleen? Kaikki nykyaikaiset vaihtoprotokollat tarjoavat melko korkean suorituskyvyn, joten yhden tai toisen valmistajan valintaa ei useinkaan määritä valuuttakurssi tässä erittäin teollisessa väylässä. Itse protokollan toteutus ei ole niin tärkeä, koska järjestelmän kehittäjän näkökulmasta se on silti musta laatikko, joka tarjoaa tietyn sisäisen vaihtorakenteen ja jota ei ole suunniteltu ulkopuolisille häiriöille. Useimmiten huomio kiinnitetään käytännön ominaisuuksiin: tietokoneen suorituskykyyn, valmistajan konseptin soveltamisen helppouteen käsillä olevaan tehtävään, tarvittavien I/O-moduulien tyyppien saatavuuteen, mahdollisuuteen vaihtaa moduulit rikkoutumatta. bussi jne.
Suositut laitetoimittajat tarjoavat omia teollisia protokollia toteutuksia: esimerkiksi tunnettu yritys Siemens kehittää Profinet- ja Profibus-protokollasarjojaan, B&R Powerlink-protokollaa, Rockwell Automation EtherNet/IP-protokollaa. Kotimainen ratkaisu tässä esimerkkiluettelossa: venäläisen Fastwel-yhtiön FBUS-protokollan versio.
On myös universaaleja ratkaisuja, jotka eivät ole sidottu tiettyyn valmistajaan, kuten EtherCAT ja CAN. Analysoimme näitä protokollia yksityiskohtaisesti artikkelin jatkossa ja selvitämme, mitkä niistä sopivat paremmin tiettyihin sovelluksiin: auto- ja ilmailuteollisuuteen, elektroniikan valmistukseen, paikannusjärjestelmiin ja robotiikkaan. Pysyä yhteydessä!
Lähde: will.com