Seguro que moitos de vostedes saben ou mesmo viran como se controlan os grandes obxectos automatizados, por exemplo, unha central nuclear ou unha fábrica con moitas liñas de produción: a acción principal adoita desenvolverse nunha sala grande, cunha morea de pantallas, bombillas. e mandos a distancia. Este complexo de control adoita chamarse sala de control principal - o panel de control principal para supervisar a instalación de produción.
Seguramente vos estabades preguntando como funciona todo en canto a hardware e software, en que se diferencian estes sistemas dos ordenadores persoais convencionais. Neste artigo, analizaremos como chegan varios datos á sala de control principal, como se envían os comandos ao equipo e o que xeralmente se necesita para controlar unha estación de compresión, unha planta de produción de propano, unha liña de montaxe de automóbiles ou incluso un planta de bombeo de sumidoiros.
O nivel máis baixo ou bus de campo é onde comeza todo
Este conxunto de palabras, pouco claras para os non iniciados, úsase cando é necesario describir os medios de comunicación entre microcontroladores e equipos subordinados, por exemplo, módulos de E/S ou dispositivos de medida. Normalmente esta canle de comunicación chámase "bus de campo" porque se encarga de transmitir os datos que veñen do "campo" ao controlador.
"Campo" é un termo profesional profundo que se refire ao feito de que algúns equipos (por exemplo, sensores ou actuadores) cos que interactúa o controlador están situados nalgún lugar moi, lonxe, na rúa, nos campos, ao amparo da noite. . E non importa que o sensor se poida situar a medio metro do controlador e medir, por exemplo, a temperatura nun armario de automatización, aínda se considera que está "no campo". Na maioría das veces, os sinais dos sensores que chegan aos módulos de E/S aínda percorren distancias de decenas a centos de metros (e ás veces máis), recollendo información de sitios ou equipos remotos. En realidade, é por iso que o bus de intercambio, a través do cal o controlador recibe valores destes mesmos sensores, adoita chamarse bus de campo ou, con menos frecuencia, bus de nivel inferior ou bus industrial.
Esquema xeral de automatización dunha instalación industrial
Así, o sinal eléctrico do sensor percorre unha certa distancia ao longo das liñas de cable (xeralmente ao longo dun cable de cobre normal cun certo número de núcleos), aos que están conectados varios sensores. O sinal entra entón no módulo de procesamento (módulo de entrada/saída), onde se converte nunha linguaxe dixital comprensible para o controlador. A continuación, este sinal a través do bus de campo vai directamente ao controlador, onde finalmente se procesa. Con base en tales sinais, constrúese a lóxica de funcionamento do propio microcontrolador.
Nivel superior: dende unha guirnalda ata unha estación de traballo enteira
O nivel superior chámase todo o que pode ser tocado por un operador mortal común que controla o proceso tecnolóxico. No caso máis sinxelo, o nivel superior é un conxunto de luces e botóns. As lámpadas indican ao operador sobre certos eventos que ocorren no sistema, os botóns úsanse para emitir comandos ao controlador. Este sistema adoita chamarse "grirlanda" ou "árbore de Nadal" porque se parece moito (como podes ver na foto do comezo do artigo).
Se o operador é máis afortunado, como nivel superior terá un panel de operador, unha especie de ordenador de pantalla plana que, dun xeito ou outro, recibe datos do controlador para mostrar e móstraos na pantalla. Tal panel adoita estar montado no propio armario de automatización, polo que normalmente hai que interactuar con el estando de pé, o que provoca molestias, ademais de que a calidade e o tamaño da imaxe en paneis de pequeno formato deixa moito que desexar.
E, finalmente, unha atracción de xenerosidade sen precedentes: unha estación de traballo (ou incluso varios duplicados), que é un ordenador persoal común.
Os equipos de nivel superior deben interactuar dalgún xeito co microcontrolador (se non, por que é necesario?). Para tal interacción, utilízanse protocolos de nivel superior e un determinado medio de transmisión, por exemplo, Ethernet ou UART. No caso da "árbore de Nadal", tales sofisticacións, por suposto, non son necesarias; as lámpadas acéndense mediante liñas físicas ordinarias, non hai interfaces nin protocolos sofisticados alí.
En xeral, este nivel superior é menos interesante que o bus de campo, xa que este nivel superior pode non existir en absoluto (non hai nada que o operador vexa desde a serie; o propio controlador descubrirá o que hai que facer e como ).
Protocolos de transferencia de datos “antigos”: Modbus e HART
Poucas persoas saben, pero o sétimo día da creación do mundo, Deus non descansou, senón que creou Modbus. Xunto co protocolo HART, Modbus é quizais o protocolo de transferencia de datos industrial máis antigo; apareceu en 1979.
A interface en serie utilizouse inicialmente como medio de transmisión, despois implementouse Modbus sobre TCP/IP. Este é un protocolo mestre-escravo sincrónico (mestre-escravo) que utiliza o principio de solicitude-resposta. O protocolo é bastante engorroso e lento, a velocidade de intercambio depende das características do receptor e do transmisor, pero normalmente o reconto é de case centos de milisegundos, especialmente cando se implementa a través dunha interface en serie.
Ademais, o rexistro de transferencia de datos Modbus é de 16 bits, o que impón inmediatamente restricións á transferencia de tipos reais e dobres. Transmítense por partes ou con perda de precisión. Aínda que o Modbus segue sendo moi utilizado nos casos en que non se necesitan altas velocidades de comunicación e a perda de datos transmitidos non é crítica. A moitos fabricantes de varios dispositivos gústalles ampliar o protocolo Modbus da súa forma exclusiva e moi orixinal, engadindo funcións non estándar. Polo tanto, este protocolo ten moitas mutacións e desviacións da norma, pero aínda vive con éxito no mundo moderno.
O protocolo HART tamén existe desde os anos oitenta, é un protocolo de comunicacións industriais a través dunha liña de bucle de corrente de dous fíos que conecta directamente sensores de 4-20 mA e outros dispositivos habilitados para HART.
Para cambiar as liñas HART, utilízanse dispositivos especiais, os chamados módems HART. Tamén hai conversores que proporcionan ao usuario, por exemplo, o protocolo Modbus na saída.
HART quizais destaca polo feito de que, ademais dos sinais analóxicos dos sensores 4-20 mA, o sinal dixital do propio protocolo tamén se transmite no circuíto, isto permítelle conectar as pezas dixitais e analóxicas nunha soa liña de cable. Os modernos módems HART pódense conectar ao porto USB do controlador, conectarse a través de Bluetooth ou á antiga usanza mediante un porto serie. Hai unha ducia de anos, por analoxía co Wi-Fi, apareceu o estándar sen fíos WirelessHART, que operaba na gama ISM.
Segunda xeración de protocolos ou buses pouco industriais ISA, PCI(e) e VME
Os protocolos Modbus e HART foron substituídos por buses pouco industriais, como ISA (MicroPC, PC/104) ou PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), así como VME.
Chegou a era dos ordenadores que teñen á súa disposición un bus de datos universal, onde se poden conectar varias placas (módulos) para procesar un determinado sinal unificado. Como regra xeral, neste caso, o módulo procesador (ordenador) insírese no chamado marco, o que garante a interacción a través do bus con outros dispositivos. O cadro, ou, como lles gusta chamar aos verdadeiros expertos en automatización, "caixón", complétase coas placas de entrada-saída necesarias: analóxica, discreta, de interface, etc., ou todo isto ensamblado en forma de bocadillo sen un cadro - un taboleiro encima do outro. Despois diso, esta variedade no bus (ISA, PCI, etc.) intercambia datos co módulo procesador, que recibe así información dos sensores e implementa algunha lóxica.
Controlador e módulos de E/S nunha trama PXI nun bus PCI. Fonte:
Todo estaría ben con estes buses ISA, PCI(e) e VME, especialmente para eses tempos: a velocidade de intercambio non é decepcionante e os compoñentes do sistema están situados nun único cadro, compacto e cómodo, pode que non haxa intercambiables en quente. Tarxetas de E/S, pero aínda non quero facelo.
Pero hai unha mosca na pomada, e máis dunha. É bastante difícil construír un sistema distribuído con tal configuración, o bus de intercambio é local, cómpre crear algo para intercambiar datos con outros nodos escravos ou pares, o mesmo Modbus a través de TCP/IP ou algún outro protocolo. xeral, non hai suficientes comodidades. Ben, o segundo non é moi agradable: as placas de E/S adoitan esperar algún tipo de sinal unificado como entrada e non teñen illamento galvánico dos equipos de campo, polo que cómpre facer unha cerca con varios módulos de conversión e circuítos intermedios. o que complica moito a base do elemento.
Módulos de conversión de sinal intermedio con illamento galvánico. Fonte:
"E o protocolo de bus industrial?" -preguntas. Nada. Non existe nesta implementación. A través das liñas de cable, o sinal viaxa desde os sensores aos conversores de sinal, os conversores fornecen tensión a unha placa de E/S analóxica ou discreta e os datos da placa xa se len a través dos portos de E/S usando o SO. E sen protocolos especializados.
Como funcionan os autobuses e protocolos industriais modernos
Agora qué? Ata a data, a ideoloxía clásica de construír sistemas automatizados cambiou un pouco. Moitos factores xogaron un papel, comezando polo feito de que a automatización tamén debería ser conveniente, e rematando coa tendencia cara a sistemas automatizados distribuídos con nodos afastados entre si.
Quizais poidamos dicir que hai dous conceptos principais para os sistemas de automatización de edificios na actualidade: sistemas automatizados localizados e distribuídos.
No caso dos sistemas localizados, nos que a recollida e o control de datos están centralizados nun lugar específico, é demandado o concepto dun determinado conxunto de módulos de entrada/saída interconectados por un bus rápido común, incluíndo un controlador co seu propio protocolo de intercambio. Neste caso, por regra xeral, os módulos de E/S inclúen tanto un conversor de sinal como un illamento galvánico (aínda que, por suposto, non sempre). É dicir, é suficiente para que o usuario final comprenda que tipos de sensores e mecanismos estarán presentes no sistema automatizado, conte o número de módulos de entrada/saída necesarios para diferentes tipos de sinais e conécteos nunha liña común co controlador. . Neste caso, por regra xeral, cada fabricante usa o seu protocolo de intercambio favorito entre os módulos de E/S e o controlador, e aquí pode haber moitas opcións.
No caso dos sistemas distribuídos, todo o que se di en relación aos sistemas localizados é certo, ademais, é importante que os compoñentes individuais, por exemplo, un conxunto de módulos de entrada-saída máis un dispositivo para recoller e transmitir información, non Un microcontrolador moi intelixente que se atopa nalgún lugar dunha cabina no campo, xunto á válvula que pecha o aceite, podería interactuar cos mesmos nodos e co controlador principal a gran distancia cun tipo de cambio efectivo.
Como escollen os desenvolvedores un protocolo para o seu proxecto? Todos os protocolos de intercambio modernos proporcionan un rendemento bastante alto, polo que a elección dun ou doutro fabricante moitas veces non está determinada polo tipo de cambio deste autobús tan industrial. A implementación do protocolo en si non é tan importante, porque, desde o punto de vista do desenvolvedor do sistema, seguirá sendo unha caixa negra que proporciona unha determinada estrutura de intercambio interno e non está deseñada para interferencias externas. Na maioría das veces, préstase atención ás características prácticas: o rendemento da computadora, a facilidade de aplicar o concepto do fabricante á tarefa que se está a realizar, a dispoñibilidade dos tipos de módulos de E/S necesarios, a capacidade de intercambiar módulos en quente sen romper. o autobús, etc.
Os provedores de equipos populares ofrecen as súas propias implementacións de protocolos industriais: por exemplo, a coñecida empresa Siemens está a desenvolver a súa serie de protocolos Profinet e Profibus, B&R está a desenvolver o protocolo Powerlink, Rockwell Automation está a desenvolver o protocolo EtherNet/IP. Unha solución doméstica nesta lista de exemplos: unha versión do protocolo FBUS da empresa rusa Fastwel.
Tamén hai solucións máis universais que non están vinculadas a un fabricante específico, como EtherCAT e CAN. Analizaremos estes protocolos en detalle na continuación do artigo e descubriremos cales deles son máis axeitados para aplicacións específicas: industrias automoción e aeroespacial, fabricación de produtos electrónicos, sistemas de posicionamento e robótica. Seguir en contacto!
Fonte: www.habr.com