Beaucoup d'entre vous savent sûrement ou ont même vu comment de grands objets automatisés sont contrôlés, par exemple une centrale nucléaire ou une usine avec de nombreuses lignes de production : l'action principale se déroule souvent dans une grande pièce, avec un tas d'écrans, d'ampoules. et les télécommandes. Ce complexe de contrôle est généralement appelé salle de contrôle principale - le panneau de contrôle principal pour surveiller l'installation de production.
Vous vous demandez sûrement comment tout cela fonctionne en termes de matériel et de logiciels, en quoi ces systèmes diffèrent des ordinateurs personnels classiques. Dans cet article, nous verrons comment diverses données parviennent à la salle de contrôle principale, comment les commandes sont envoyées aux équipements et ce qui est généralement nécessaire pour contrôler une station de compression, une usine de production de propane, une chaîne de montage automobile ou même un installation de pompage des égouts.
Le niveau le plus bas ou bus de terrain est l'endroit où tout commence
Cet ensemble de mots, peu clair pour les non-initiés, est utilisé lorsqu'il est nécessaire de décrire les moyens de communication entre des microcontrôleurs et des équipements subordonnés, par exemple des modules d'E/S ou des appareils de mesure. Généralement, ce canal de communication est appelé « bus de terrain » car il est responsable de la transmission des données provenant du « terrain » vers le contrôleur.
« Champ » est un terme professionnel profond qui fait référence au fait que certains équipements (par exemple, des capteurs ou des actionneurs) avec lesquels le contrôleur interagit se trouvent quelque part très, très loin, dans la rue, dans les champs, sous le couvert de la nuit. . Et peu importe que le capteur puisse être situé à un demi-mètre du contrôleur et mesurer, par exemple, la température dans une armoire d'automatisation, on considère toujours qu'il est « sur le terrain ». Le plus souvent, les signaux des capteurs arrivant aux modules d'E/S parcourent des distances allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres (et parfois plus), collectant des informations provenant de sites ou d'équipements distants. C’est d’ailleurs pour cette raison que le bus d’échange, par lequel le contrôleur reçoit les valeurs de ces mêmes capteurs, est généralement appelé bus de terrain ou, plus rarement, bus de niveau inférieur ou bus industriel.
Schéma général d'automatisation d'une installation industrielle
Ainsi, le signal électrique du capteur parcourt une certaine distance le long de lignes de câbles (généralement le long d'un câble en cuivre ordinaire avec un certain nombre de conducteurs), auxquelles plusieurs capteurs sont connectés. Le signal entre ensuite dans le module de traitement (module d'entrées/sorties), où il est converti dans un langage numérique compréhensible par le contrôleur. Ensuite, ce signal via le bus de terrain va directement au contrôleur, où il est finalement traité. Sur la base de ces signaux, la logique de fonctionnement du microcontrôleur lui-même est construite.
Niveau supérieur : de la guirlande au poste de travail complet
Le niveau supérieur s'appelle tout ce qui peut être touché par un opérateur mortel ordinaire qui contrôle le processus technologique. Dans le cas le plus simple, le niveau supérieur est un ensemble de voyants et de boutons. Les ampoules signalent à l'opérateur certains événements se produisant dans le système, les boutons sont utilisés pour envoyer des commandes au contrôleur. Ce système est souvent appelé « guirlande » ou « sapin de Noël » car il y ressemble beaucoup (comme vous pouvez le voir sur la photo au début de l’article).
Si l'opérateur est plus chanceux, il obtiendra au niveau supérieur un panneau de commande - une sorte d'ordinateur à écran plat qui, d'une manière ou d'une autre, reçoit les données à afficher du contrôleur et les affiche à l'écran. Un tel panneau est généralement monté sur l'armoire d'automatisation elle-même, vous devez donc généralement interagir avec lui en position debout, ce qui provoque des désagréments, et la qualité et la taille de l'image sur les panneaux de petit format laissent beaucoup à désirer.
Et enfin, une attraction d'une générosité sans précédent - un poste de travail (voire plusieurs doublons), qui est un ordinateur personnel ordinaire.
L'équipement de niveau supérieur doit interagir d'une manière ou d'une autre avec le microcontrôleur (sinon pourquoi est-il nécessaire ?). Pour une telle interaction, des protocoles de niveau supérieur et un certain support de transmission sont utilisés, par exemple Ethernet ou UART. Dans le cas de « l'arbre de Noël », de telles sophistications ne sont bien sûr pas nécessaires : les ampoules sont allumées à l'aide de lignes physiques ordinaires, il n'y a pas d'interfaces ou de protocoles sophistiqués.
En général, ce niveau supérieur est moins intéressant que le bus de terrain, car ce niveau supérieur peut ne pas exister du tout (l'opérateur n'a rien à regarder de la série ; le contrôleur déterminera lui-même ce qui doit être fait et comment ).
Protocoles de transfert de données « anciens » : Modbus et HART
Peu de gens le savent, mais le septième jour de la création du monde, Dieu ne s'est pas reposé, mais a créé Modbus. Avec le protocole HART, Modbus est peut-être le plus ancien protocole de transfert de données industriel ; il est apparu en 1979.
L'interface série a d'abord été utilisée comme support de transmission, puis Modbus a été implémenté via TCP/IP. Il s'agit d'un protocole maître-esclave (maître-esclave) synchrone qui utilise le principe requête-réponse. Le protocole est assez lourd et lent, la vitesse d'échange dépend des caractéristiques du récepteur et de l'émetteur, mais le décompte est généralement de près de centaines de millisecondes, surtout lorsqu'il est mis en œuvre via une interface série.
De plus, le registre de transfert de données Modbus est de 16 bits, ce qui impose immédiatement des restrictions sur le transfert de types réels et doubles. Ils sont transmis soit par parties, soit avec une perte de précision. Bien que Modbus soit encore largement utilisé dans les cas où des vitesses de communication élevées ne sont pas nécessaires et où la perte des données transmises n'est pas critique. De nombreux fabricants d'appareils divers aiment étendre le protocole Modbus à leur manière exclusive et très originale, en ajoutant des fonctions non standard. Par conséquent, ce protocole présente de nombreuses mutations et écarts par rapport à la norme, mais il vit toujours avec succès dans le monde moderne.
Le protocole HART existe également depuis les années 4. Il s'agit d'un protocole de communication industriel sur une ligne de boucle de courant à deux fils qui connecte directement des capteurs 20-XNUMX mA et d'autres appareils compatibles HART.
Pour commuter les lignes HART, des appareils spéciaux, appelés modems HART, sont utilisés. Il existe également des convertisseurs qui fournissent à l'utilisateur, par exemple, le protocole Modbus en sortie.
HART se distingue peut-être par le fait qu'en plus des signaux analogiques des capteurs 4-20 mA, le signal numérique du protocole lui-même est également transmis dans le circuit, ce qui vous permet de connecter les parties numériques et analogiques sur une seule ligne de câble. Les modems HART modernes peuvent être connectés au port USB du contrôleur, via Bluetooth ou à l'ancienne via un port série. Il y a une douzaine d'années, par analogie avec le Wi-Fi, est apparue la norme sans fil WirelessHART, fonctionnant dans la gamme ISM.
Deuxième génération de protocoles ou bus pas tout à fait industriels ISA, PCI(e) et VME
Les protocoles Modbus et HART ont été remplacés par des bus pas tout à fait industriels, comme ISA (MicroPC, PC/104) ou PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), ainsi que VME.
L'ère des ordinateurs est arrivée et disposent d'un bus de données universel, où diverses cartes (modules) peuvent être connectées pour traiter un certain signal unifié. En règle générale, dans ce cas, le module processeur (ordinateur) est inséré dans ce qu'on appelle le cadre, qui assure l'interaction via le bus avec d'autres appareils. Le cadre, ou, comme aiment l'appeler les vrais experts en automatisation, « caisse », est complété par les cartes d'entrée-sortie nécessaires : analogiques, discrètes, interface, etc., ou tout cela est assemblé sous la forme d'un sandwich sans un cadre - une planche superposée à l'autre. Après cela, cette variété sur le bus (ISA, PCI, etc.) échange des données avec le module processeur, qui reçoit ainsi des informations des capteurs et met en œuvre une certaine logique.
Contrôleur et modules d'E/S dans un châssis PXI sur un bus PCI. Source:
Tout irait bien avec ces bus ISA, PCI(e) et VME, surtout à cette époque : la vitesse d'échange n'est pas décevante, et les composants du système sont situés dans un seul châssis, compact et pratique, il se peut qu'ils ne soient pas remplaçables à chaud Cartes E/S, mais je n’en ai pas vraiment envie pour l’instant.
Mais il y a une ombre au tableau, et il y en a plus d’une. Il est assez difficile de construire un système distribué dans une telle configuration, le bus d'échange est local, vous devez trouver quelque chose pour échanger des données avec d'autres nœuds esclaves ou pairs, le même Modbus sur TCP/IP ou un autre protocole, dans en général, il n'y a pas assez de commodités. Eh bien, la deuxième chose pas très agréable : les cartes d'E/S attendent généralement une sorte de signal unifié en entrée, et elles n'ont pas d'isolation galvanique des équipements de terrain, vous devez donc faire une clôture à partir de divers modules de conversion et circuits intermédiaires, ce qui complique grandement la base des éléments.
Modules de conversion de signal intermédiaire avec isolation galvanique. Source:
« Qu’en est-il du protocole des bus industriels ? - tu demandes. Rien. Cela n'existe pas dans cette implémentation. Grâce aux lignes de câbles, le signal passe des capteurs aux convertisseurs de signal, les convertisseurs fournissent la tension à une carte d'E/S discrète ou analogique, et les données de la carte sont déjà lues via les ports d'E/S à l'aide du système d'exploitation. Et pas de protocoles spécialisés.
Comment fonctionnent les bus et protocoles industriels modernes
Et maintenant? À ce jour, l'idéologie classique de la construction de systèmes automatisés a quelque peu changé. De nombreux facteurs ont joué un rôle, à commencer par le fait que l'automatisation devait également être pratique, jusqu'à la tendance vers des systèmes automatisés distribués avec des nœuds éloignés les uns des autres.
Peut-être pouvons-nous dire qu'il existe aujourd'hui deux concepts principaux pour les systèmes d'automatisation des bâtiments : les systèmes automatisés localisés et distribués.
Dans le cas de systèmes localisés, où la collecte et le contrôle des données sont centralisés dans un emplacement spécifique, le concept d'un certain ensemble de modules d'entrée/sortie interconnectés par un bus rapide commun, comprenant un contrôleur avec son propre protocole d'échange, est demandé. Dans ce cas, en règle générale, les modules d'E/S incluent à la fois un convertisseur de signal et une isolation galvanique (bien que ce ne soit pas toujours le cas, bien entendu). Autrement dit, il suffit à l'utilisateur final de comprendre quels types de capteurs et de mécanismes seront présents dans le système automatisé, de compter le nombre de modules d'entrée/sortie requis pour différents types de signaux et de les connecter sur une ligne commune avec le contrôleur. . Dans ce cas, en règle générale, chaque fabricant utilise son protocole d'échange préféré entre les modules d'E/S et le contrôleur, et il peut y avoir de nombreuses options ici.
Dans le cas des systèmes distribués, tout ce qui est dit concernant les systèmes localisés est vrai. De plus, il est important que les composants individuels, par exemple un ensemble de modules d'entrée-sortie plus un dispositif de collecte et de transmission d'informations, ne soient pas un microcontrôleur très intelligent qui se trouve quelque part dans une cabine sur le terrain, à côté de la vanne qui coupe l'huile - pourrait interagir avec les mêmes nœuds et avec le contrôleur principal à une grande distance avec un taux d'échange effectif.
Comment les développeurs choisissent-ils un protocole pour leur projet ? Tous les protocoles d'échange modernes offrent des performances assez élevées, de sorte que le choix de l'un ou l'autre fabricant n'est souvent pas déterminé par le taux de change sur ce bus très industriel. La mise en œuvre du protocole lui-même n'est pas si importante car, du point de vue du développeur du système, il s'agira toujours d'une boîte noire qui fournit une certaine structure d'échange interne et n'est pas conçue pour des interférences extérieures. Le plus souvent, l'attention est portée aux caractéristiques pratiques : les performances de l'ordinateur, la facilité d'application du concept du fabricant à la tâche à accomplir, la disponibilité des types de modules d'E/S requis, la possibilité de remplacer à chaud les modules sans les casser. le bus, etc
Les fournisseurs d'équipements populaires proposent leurs propres implémentations de protocoles industriels : par exemple, la célèbre société Siemens développe sa série de protocoles Profinet et Profibus, B&R développe le protocole Powerlink, Rockwell Automation développe le protocole EtherNet/IP. Une solution domestique dans cette liste d'exemples : une version du protocole FBUS de la société russe Fastwel.
Il existe également des solutions plus universelles qui ne sont pas liées à un fabricant spécifique, comme EtherCAT et CAN. Nous analyserons ces protocoles en détail dans la suite de l'article et déterminerons lesquels d'entre eux sont les mieux adaptés à des applications spécifiques : industries automobile et aérospatiale, fabrication électronique, systèmes de positionnement et robotique. Reste en contact!
Source: habr.com