Sigurno mnogi od vas znaju ili su čak vidjeli kako se upravlja velikim automatiziranim objektima, na primjer, nuklearnom elektranom ili tvornicom s mnogo proizvodnih linija: glavna radnja često se odvija u velikoj prostoriji, s hrpom ekrana, žarulja i daljinski upravljači. Ovaj upravljački kompleks obično se naziva glavna upravljačka soba - glavna upravljačka ploča za nadzor proizvodnog pogona.
Sigurno ste se pitali kako to sve funkcionira hardverski i softverski, po čemu se ti sustavi razlikuju od konvencionalnih osobnih računala. U ovom ćemo članku pogledati kako različiti podaci dolaze do glavne kontrolne sobe, kako se naredbe šalju opremi i što je općenito potrebno za upravljanje kompresorskom stanicom, pogonom za proizvodnju propana, trakom za sklapanje automobila ili čak i kanalizacijsko pumpno postrojenje.
Najniža razina ili fieldbus je mjesto gdje sve počinje
Ovaj skup riječi, neupućenima nejasan, koristi se kada je potrebno opisati način komunikacije između mikrokontrolera i podređene opreme, primjerice I/O modula ili mjernih uređaja. Tipično se ovaj komunikacijski kanal naziva "field bus" jer je odgovoran za prijenos podataka koji dolaze s "polja" do kontrolera.
“Polje” je duboko stručan izraz koji se odnosi na činjenicu da se neka oprema (primjerice, senzori ili aktuatori) s kojom kontroler komunicira nalazi negdje daleko, daleko, na ulici, u poljima, pod okriljem noći. . I nema veze što se senzor može nalaziti pola metra od regulatora i mjeriti, recimo, temperaturu u ormaru automatike, i dalje se smatra da je "na terenu". Najčešće, signali sa senzora koji stižu do I/O modula još uvijek prelaze udaljenosti od desetaka do stotina metara (a ponekad i više), prikupljajući informacije s udaljenih mjesta ili opreme. Zapravo, zato se sabirnica razmjene, preko koje kontroler prima vrijednosti od tih istih senzora, obično naziva sabirnicom polja ili, rjeđe, sabirnicom niže razine ili industrijskom sabirnicom.
Opća shema automatizacije industrijskog postrojenja
Dakle, električni signal sa senzora putuje određenu udaljenost duž kabelskih linija (obično duž običnog bakrenog kabela s određenim brojem žila), na koje je spojeno nekoliko senzora. Signal zatim ulazi u modul za obradu (ulazno/izlazni modul), gdje se pretvara u digitalni jezik razumljiv upravljaču. Zatim ovaj signal preko sabirnice polja ide izravno u upravljački sklop, gdje se konačno obrađuje. Na temelju takvih signala gradi se logika rada samog mikrokontrolera.
Najviša razina: od girlande do cijele radne stanice
Gornja razina naziva se sve što može dotaknuti obični smrtni operater koji upravlja tehnološkim procesom. U najjednostavnijem slučaju, gornja razina je skup svjetala i gumba. Žarulje signaliziraju operateru o određenim događajima koji se događaju u sustavu, gumbi se koriste za izdavanje naredbi kontroleru. Ovaj sustav se često naziva "vijenac" ili "božićno drvce" jer izgleda vrlo slično (kao što možete vidjeti na fotografiji na početku članka).
Ako operater bude imao više sreće, tada će kao najvišu razinu dobiti operatorsku ploču - neku vrstu ravnog računala koje na ovaj ili onaj način prima podatke za prikaz od kontrolera i prikazuje ih na ekranu. Takva se ploča obično postavlja na sam ormarić za automatizaciju, tako da obično morate komunicirati s njom dok stojite, što uzrokuje neugodnosti, a kvaliteta i veličina slike na pločama malog formata ostavljaju mnogo željenog.
I na kraju, atrakcija neviđene velikodušnosti - radna stanica (ili čak nekoliko duplikata), koja je obično osobno računalo.
Oprema više razine mora na neki način komunicirati s mikrokontrolerom (inače zašto je potrebna?). Za takvu interakciju koriste se protokoli gornje razine i određeni prijenosni medij, na primjer, Ethernet ili UART. U slučaju "božićnog drvca" takve sofisticiranosti, naravno, nisu potrebne, žarulje svijetle pomoću običnih fizičkih linija, nema tu sofisticiranih sučelja ili protokola.
Općenito, ova gornja razina manje je zanimljiva od sabirnice polja, budući da ova gornja razina možda uopće ne postoji (operator nema što gledati iz serije; kontroler će sam shvatiti što treba učiniti i kako ).
“Drevni” protokoli za prijenos podataka: Modbus i HART
Malo ljudi zna, ali sedmog dana stvaranja svijeta Bog nije mirovao, već je stvorio Modbus. Uz HART protokol, Modbus je možda najstariji industrijski protokol za prijenos podataka, pojavio se davne 1979. godine.
Kao prijenosni medij u početku je korišteno serijsko sučelje, a zatim je Modbus implementiran preko TCP/IP-a. Ovo je sinkroni master-slave (master-slave) protokol koji koristi princip zahtjev-odgovor. Protokol je prilično glomazan i spor, brzina razmjene ovisi o karakteristikama prijemnika i odašiljača, ali obično se broji gotovo stotine milisekundi, posebno kada se implementira preko serijskog sučelja.
Štoviše, Modbus registar prijenosa podataka je 16-bitni, što odmah nameće ograničenja na prijenos realnih i dvostrukih tipova. Prenose se ili u dijelovima ili s gubitkom točnosti. Iako se Modbus još uvijek široko koristi u slučajevima kada velike brzine komunikacije nisu potrebne i gubitak prenesenih podataka nije kritičan. Mnogi proizvođači raznih uređaja vole proširiti Modbus protokol na svoj ekskluzivan i vrlo originalan način, dodajući nestandardne funkcije. Stoga ovaj protokol ima mnogo mutacija i odstupanja od norme, ali i dalje uspješno živi u suvremenom svijetu.
HART protokol također postoji od osamdesetih godina, to je industrijski komunikacijski protokol preko dvožilne linije strujne petlje koja izravno povezuje senzore od 4-20 mA i druge uređaje koji podržavaju HART.
Za prebacivanje HART linija koriste se posebni uređaji, tzv. HART modemi. Postoje i pretvarači koji korisniku na izlazu daju, recimo, Modbus protokol.
HART je možda značajan po činjenici da se uz analogne signale senzora 4-20 mA, digitalni signal samog protokola također prenosi u krugu, što vam omogućuje povezivanje digitalnih i analognih dijelova u jednoj kabelskoj liniji. Moderni HART modemi mogu se spojiti na USB priključak kontrolera, spojiti putem Bluetootha ili na starinski način putem serijskog priključka. Prije desetak godina, po analogiji s Wi-Fi-jem, pojavio se bežični standard WirelessHART koji radi u ISM rasponu.
Druga generacija protokola ili ne baš industrijskih sabirnica ISA, PCI(e) i VME
Protokoli Modbus i HART zamijenjeni su ne baš industrijskim sabirnicama, poput ISA (MicroPC, PC/104) ili PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), kao i VME.
Došla je era računala koja imaju na raspolaganju univerzalnu podatkovnu sabirnicu na koju se mogu spojiti različite ploče (moduli) za obradu određenog unificiranog signala. U pravilu je u ovom slučaju procesorski modul (računalo) umetnut u takozvani okvir, koji osigurava interakciju preko sabirnice s drugim uređajima. Okvir, ili, kako ga pravi stručnjaci za automatizaciju vole zvati, "gajba", dopunjen je potrebnim ulazno-izlaznim pločama: analognim, diskretnim, sučeljem itd., ili se sve to sastavlja u obliku sendviča bez okvir - jedna daska na drugoj. Nakon toga ova sorta na sabirnici (ISA, PCI itd.) razmjenjuje podatke s procesorskim modulom koji na taj način prima informacije od senzora i implementira neku logiku.
Kontroler i I/O moduli u PXI okviru na PCI sabirnici. Izvor:
Sve bi bilo u redu s ovim ISA, PCI(e) i VME sabirnicama, posebno za ta vremena: brzina razmjene nije razočaravajuća, a komponente sustava smještene su u jednom okviru, kompaktne i praktične, možda nema mogućnosti zamjene bez isključivanja I/O kartice, ali zapravo još ne želim.
Ali postoji muha u masti, i to više od jedne. Prilično je teško izgraditi distribuirani sustav u takvoj konfiguraciji, sabirnica za razmjenu je lokalna, morate smisliti nešto za razmjenu podataka s drugim slave ili peer čvorovima, isti Modbus preko TCP/IP ili neki drugi protokol, u općenito, nema dovoljno pogodnosti. Pa, druga ne baš ugodna stvar: I/O ploče obično očekuju neku vrstu unificiranog signala kao ulaz, a nemaju galvansku izolaciju od terenske opreme, pa morate napraviti ogradu od raznih pretvorbenih modula i međukrugova, što uvelike komplicira elementnu bazu.
Srednji moduli za pretvorbu signala s galvanskom izolacijom. Izvor:
"Što je s protokolom industrijske sabirnice?" - pitaš. Ništa. Ne postoji u ovoj implementaciji. Kroz kabelske linije signal putuje od senzora do pretvarača signala, pretvarači daju napon diskretnoj ili analognoj I/O ploči, a podaci s ploče već se čitaju kroz I/O portove pomoću OS-a. I nema specijaliziranih protokola.
Kako funkcioniraju moderne industrijske sabirnice i protokoli
Što sada? Do danas se klasična ideologija izgradnje automatiziranih sustava malo promijenila. Mnogi su čimbenici igrali ulogu, počevši od činjenice da automatizacija također treba biti prikladna, a završavajući trendom prema distribuiranim automatiziranim sustavima s čvorovima udaljenim jedan od drugog.
Možda možemo reći da danas postoje dva glavna koncepta za izgradnju sustava automatizacije: lokalizirani i distribuirani automatizirani sustavi.
U slučaju lokaliziranih sustava, gdje su prikupljanje i kontrola podataka centralizirani na jednoj specifičnoj lokaciji, tražen je koncept određenog skupa ulazno/izlaznih modula međusobno povezanih zajedničkom brzom sabirnicom, uključujući kontroler s vlastitim protokolom razmjene. U ovom slučaju, u pravilu, I/O moduli uključuju i pretvarač signala i galvansku izolaciju (iako, naravno, ne uvijek). Odnosno, dovoljno je da krajnji korisnik razumije koje će vrste senzora i mehanizama biti prisutni u automatiziranom sustavu, izbrojiti broj potrebnih ulazno/izlaznih modula za različite vrste signala i povezati ih u jednu zajedničku liniju s kontrolerom. . U ovom slučaju, u pravilu, svaki proizvođač koristi svoj omiljeni protokol razmjene između I/O modula i kontrolera, a tu može biti puno opcija.
U slučaju distribuiranih sustava, sve što je rečeno u vezi s lokaliziranim sustavima je istina, osim toga, važno je da pojedine komponente, na primjer, skup ulazno-izlaznih modula plus uređaj za prikupljanje i prijenos informacija - ne vrlo pametan mikrokontroler koji stoji negdje u kabini na terenu, pokraj ventila koji zatvara ulje - mogao bi komunicirati s istim čvorovima i s glavnim kontrolerom na velikoj udaljenosti s efektivnim tečajem.
Kako programeri odabiru protokol za svoj projekt? Svi moderni protokoli razmjene pružaju prilično visoke performanse, tako da izbor jednog ili drugog proizvođača često nije određen tečajem na ovom vrlo industrijskom autobusu. Implementacija samog protokola nije toliko važna, jer će, sa stajališta programera sustava, to i dalje biti crna kutija koja pruža određenu unutarnju strukturu razmjene i nije dizajnirana za vanjsko uplitanje. Najčešće se pažnja obraća na praktične karakteristike: performanse računala, jednostavnost primjene koncepta proizvođača na zadatak koji se postavlja, dostupnost potrebnih tipova I/O modula, mogućnost zamjene modula bez prekida rada autobus, itd.
Popularni dobavljači opreme nude vlastite implementacije industrijskih protokola: na primjer, poznata tvrtka Siemens razvija svoju seriju Profinet i Profibus protokola, B&R razvija Powerlink protokol, Rockwell Automation razvija EtherNet/IP protokol. Domaće rješenje na ovom popisu primjera: verzija FBUS protokola ruske tvrtke Fastwel.
Postoje i univerzalnija rješenja koja nisu vezana za određenog proizvođača, poput EtherCAT-a i CAN-a. Te ćemo protokole detaljno analizirati u nastavku članka i otkriti koji su od njih prikladniji za određene primjene: automobilsku i zrakoplovnu industriju, proizvodnju elektronike, sustave za pozicioniranje i robotiku. Ostati u kontaktu!
Izvor: www.habr.com