Sigurno mnogi od vas znaju ili su čak vidjeli na koji način se upravlja velikim automatiziranim objektima, poput nuklearne elektrane ili tvornice s brojnim tehnološkim linijama: glavno djelovanje često se odvija u velikoj prostoriji, s hrpom ekrana, lampica i kontrola. Ovaj sustav upravljanja obično se naziva GŠU — glavni sustav upravljanja za nadzor proizvodnog objekta.
Sigurno vas zanima kako to sve funkcionira s tehničke i softverske strane, čime se ti sustavi razlikuju od uobičajenih osobnih računala. U ovom članku razmotrit ćemo kako različiti podaci dolaze do GŠU-a, kako se zapovijedi šalju opremi i što je uopće potrebno za upravljanje kompresorskom stanicom, postrojenjem za proizvodnju propana, linijom za sastavljanje automobila ili čak kanalizacijskom pumpnom stanicom.
Donja razina ili poljska sabirnica — kako sve započinje
Ova nejasna za neupućene skupina riječi koristi se kada je potrebno opisati sredstva komunikacije mikroprocesora s pripadajućom opremom, primjerice, modulima za ulaz/izlaz ili mjernim uređajima. Obično se ovaj komunikacijski kanal naziva «poljskom sabirnicom», jer je zadužen za prijenos podataka kontroleru koji dolaze s «polja».
«Polje» je dubok profesionalni termin koji označava činjenicu da se neka oprema (npr. senzori ili aktuatori) s kojom kontroler komunicira nalazi negdje daleko, na otvorenom, u poljima, pod mrakom noći. I nije važno što se senzor može nalaziti pola metra od kontrolera i mjeriti, recimo, temperaturu u ormariću s elektronikom, i dalje se smatra da je on «u polju». Najčešće signali sa senzora, koji dolaze u module za ulaz/izlaz, ipak prelaze udaljenosti od desetina do stotina metara (a ponekad i više), prikupljajući informacije s udaljenih lokacija ili opreme. Zbog toga se sabirnica za razmjenu, kojom kontroler prima vrijednosti s tih senzora, obično naziva poljskom sabirnicom ili rjeđe sabirnicom donje razine ili industrijskom sabirnicom.
Opća shema automatizacije industrijskog objekta
Dakle, električni signal iz senzora putuje određenu udaljenost putem kablovskih linija (najčešće običnim bakrenim kablovima s određenim brojem žica), na koje su spojeni različiti senzori. Zatim signal dolazi do modula za obradu (modula ulaza-izlaza), gdje se pretvara u jeziku razumljivom kontroleru. Nakon toga, ovaj signal putuje putem poljskog bus-a izravno do kontrolera, gdje se konačno obrađuje. Na temelju takvih signala gradi se logika rada samog mikrokontrolera.
Gornja razina: od lampica do cijele radne stanice
Gornjom razinom nazivamo sve što može dodirnuti običan smrtnik operater, koji upravlja tehnološkim procesom. U najjednostavnijem slučaju, gornja razina predstavljena je skupom lampica i gumba. Lampice signaliziraju operateru o određenim događanjima u sustavu, dok gumbe koriste za davanje naredbi kontroleru. Ovakav sustav često se naziva "girlanda" ili "jelka", jer izgleda vrlo slično (kako se može vidjeti na fotografiji na početku članka).
Ako je operater imao više sreće, gornja razina kojoj će pristupiti bit će operatorska ploča — neki ploski računar koji na ovaj ili onaj način prima podatke za prikaz od kontrolera i prikazuje ih na ekranu. Ova ploča obično se montira na sam ormar automatizacije, stoga često treba stajati kada se s njom komunicira, što izaziva nelagodu, a kvalitetu i veličinu slike na malim panelima često ostavlja mnogo toga za poželjeti.
I konačno, atrakcija neviđenog izobilja — radna stanica (ili nekoliko duplih), koja predstavlja obični osobni računar.
Oprema gornje razine mora se na neki način povezati s mikrokontrolerom (inače, čemu služi?). Za takvu interakciju koriste se protokoli gornje razine i određena sredina prijenosa, primjerice, Ethernet ili UART. U slučaju "jelke", takva sofisticiranost naravno nije potrebna, lampice se pale koristeći obične fizičke linije, bez ikakvih složenih sučelja i protokola.
Općenito, ova gornja razina je manje zanimljiva od poljske sabirnice, budući da te gornje razine možda uopće neće biti (iz serije nema što gledati operateru, kontroler će sam odrediti što i kako treba raditi).
"Stari" protokoli prijenosa podataka: Modbus i HART
Malo tko zna, ali sedmog dana stvaranja svijeta Bog nije odmarao, već je stvorio Modbus. Uz HART protokol, Modbus je vjerojatno najstariji industrijski protokol prijenosa podataka, pojavio se 1979. godine.
Kao medij za prijenos prvotno se koristio serijski sučelje, zatim je Modbus implementiran preko TCP/IP. To je sinkroni protokol prema shemi "master-slave" (glavni-podređeni), u kojem se koristi princip "upit-odgovor". Protokol je prilično opterećen i spor, brzina prijenosa ovisi o karakteristikama prijemnika i odašiljača, ali obično se radi o stotinama milisekundi, osobito u implementaciji preko serijskog sučelja.
Štoviše, registracija prijenosa podataka Modbus je 16-bitna, što odmah postavlja ograničenja na prijenos real i double tipova. Oni se prenose ili u dijelovima ili uz gubitak točnosti. Iako se Modbus još uvijek široko koristi u slučajevima kada nije potrebna visoka brzina prijenosa i gubitak prenesenih podataka nije kritičan. Mnogi proizvođači različitih uređaja vole proširiti Modbus protokol svojim iznimnim i vrlo originalnim načinima, dodajući nestandardne funkcije. Stoga ovaj protokol ima brojne mutacije i odstupanja od norme, ali i dalje uspješno živi u suvremenom svijetu.
Protokol HART također postoji od osamdesetih godina, to je industrijski protokol razmjene preko dvožične linije strujne petlje, u koju se izravno uključuju senzori 4-20 mA i drugi uređaji koji podržavaju HART protokol.
Za prebacivanje HART linija koriste se posebni uređaji, takozvani HART modemi. Također postoje pretvarači koji na izlazu korisniku već pružaju, primjerice, Modbus protokol.
Zanimljivo je da HART, osim analognih signala senzora 4-20 mA, prenosi i digitalni signal samog protokola, što omogućava povezivanje digitalnog i analognog dijela u jednoj kablnoj liniji. Moderni HART modem može se spojiti na USB port kontrolera, povezati putem Bluetootha, ili starim načinom kroz serijski port. Prije desetak godina, prema uzoru na Wi-Fi, pojavio se i bežični standard WirelessHART, koji radi u ISM opsegu.
Druga generacija protokola ili ne baš industrijske sabirnice ISA, PCI(e) i VME
U zamjenu za protokole Modbus i HART pojavile su se ne baš industrijske sabirnice, kao što su ISA (MicroPC, PC/104) ili PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), kao i VME.
Došlo je do ere računala koja imaju univerzalnu sabirnicu za prijenos podataka, na koju se mogu povezati različite ploče (moduli) za obradu određenog unificiranog signala. Obično, u tom slučaju, procesorski modul (računalo) se umetne u takozvani okvir, koji osigurava interakciju na sabirnici s drugim uređajima. Okvir, ili, kako ga vole zvati pravi automatizatori, „kavez“, dopunjuje se potrebnim ulazno-izlaznim pločama: analogne, diskretne, sučeljske itd., ili se sve to slaže u obliku sendviča bez okvira — jedna ploča iznad druge. Nakon toga, ta raznolikost na sabirnici (ISA, PCI, itd.) razmjenjuje podatke s procesorskim modulom, koji na taj način dobiva informacije sa senzora i provodi određenu logiku.
Kontroler i ulazno-izlazni moduli u PXI okviru na PCI sabirnici. Izvor:
Sve bi bilo u redu s tim sabirnicama ISA, PCI(e) i VME, osobito za ta vremena: brzina prijenosa nije razočaravajuća, a komponente sustava su smještene u jednom okviru, kompaktno i udobno, promjena ulazno-izlaznih ploča možda i nije moguća, ali još uvijek nije ni osobito neophodna.
No, postoji jedna loša strana, i nije jedna. Distribuirani sustav prilično je složen za izgradnju u ovoj konfiguraciji, lokalna sabirnica za razmjenu, potrebno je smisliti nešto za razmjenu podataka s drugim podređenim ili ravnopravnim čvorovima, isti Modbus preko TCP/IP-a ili neki drugi protokol, u svakom slučaju, nema previše pogodnosti. A druga neugodna stvar: ulazno-izlazne ploče obično očekuju neki standardizirani signal, a galvanske izolacije s terenskom opremom nemaju, tako da je potrebno napraviti skup različitih modula konverzije i međusobne elektronike, što znatno komplicira elementarnu bazu.
Međumoduli konverzije signala s galvanskom izolacijom. Izvor:
"A što je s protokolom razmjene na industrijskoj sabirnici?" - upitat ćete. Pa ništa. U ovoj implementaciji ga nema. Signal dolazi s senzora na konvertere signala putem kabelskih linija, konverteri izdaju napona na diskretnu ili analognu ulazno-izlaznu ploču, a podaci s ploče se već očitavaju preko ulazno-izlaznih portova, sredstva OS-a. I nikakvih specijaliziranih protokola.
Kako funkcioniraju moderne industrijske sabirnice i protokoli
A što sada? Do današnjeg dana klasična ideologija izgradnje automatiziranih sustava malo se promijenila. Igrale su ulogu mnogi faktori, počevši od toga da automatizacija mora biti i praktična, pa do tendencije ka distribuiranim automatiziranim sustavima s udaljenim čvorovima.
Možda se može reći da danas postoje dvije glavne koncepcije izgradnje automatizacijskih sustava: lokalizirani i distribuirani automatizirani sustavi.
U slučaju lokaliziranih sustava, gdje su podaci prikupljeni i upravljani na jednom mjestu, traži se koncept skupa ulazno-izlaznih modula povezanih zajedničkom brzim sabirnicom, uključujući kontroler s vlastitim protokolom razmjene. U pravilu, ulazno-izlazni moduli uključuju i pretvarač signala i galvanizaciju (iako to, naravno, nije uvijek slučaj). Drugim riječima, konačnom korisniku je dovoljno razumjeti koje vrste senzora i mehanizama će biti prisutne u automatiziranom sustavu, izračunati broj potrebnih ulazno-izlaznih modula za različite vrste signala i povezati ih u jednu zajedničku liniju s kontrolerom. U ovom slučaju, obično svaki proizvođač koristi svoj omiljeni protokol razmjene između ulazno-izlaznih modula i kontrolera, a ovdje može biti bezbroj varijanti.
U slučaju distribuiranih sustava vrijedi sve što se odnosi na lokalizirane sustave, osim što je važno da pojedini komponenti, na primjer, skup ulazno-izlaznih modula plus uređaj za prikupljanje i prijenos informacija - ne baš pametan mikrokontroler, koji se nalazi negdje u kućici na terenu, pored ventila koji zatvara naftu - mogu interagirati s istim čvorovima i s glavnim kontrolerom na velikim udaljenostima s učinkovitim brzinama razmjene.
Kako programeri biraju protokol za svoj projekt? Svi suvremeni protokoli razmjene osiguravaju prilično visok učinak, pa se često izbor određenog proizvođača ne temelji na brzini razmjene preko te iste industrijske sabirnice. Nije toliko važna ni sama implementacija protokola, jer će, s obzirom na programera sustava, to i dalje biti crna kutija koja osigurava određenu unutarnju strukturu razmjene i nije predviđena za vanjsko umiješavanje. Najčešće se obraća pažnja na praktične karakteristike: performanse procesora, praktičnost primjene koncepta proizvođača na zadatak, prisutnost potrebnih tipova ulazno-izlaznih modula, mogućnost vruće izmjene modula bez prekida sabirnice itd.
Popularni dobavljači opreme nude vlastite implementacije industrijskih protokola: primjerice, poznata tvrtka Siemens razvija svoju seriju protokola Profinet i Profibus, tvrtka B&R - protokol Powerlink, a Rockwell Automation - protokol EtherNet/IP. Domaće rješenje u ovom popisu primjera: verzija protokola FBUS od ruske tvrtke Fastwel.
Postoje i univerzalnija rješenja koja nisu vezana uz određenog proizvođača, poput EtherCAT-a i CAN-a. Detaljno ćemo obraditi ove protokole u nastavku članka i istražiti koji od njih bolje odgovaraju određenim primjenama: automobilskoj i zrakoplovnoj industriji, proizvodnji elektronike, sustavima pozicioniranja i robotici. Ostanite s nama!
Izvor: habr.com
