Bizonyára sokan ismeritek, sőt láttátok, hogyan irányítanak nagy automatizált objektumokat, például egy atomerőművet vagy egy sok gyártósorral rendelkező gyárat: a fő művelet gyakran egy nagy helyiségben zajlik, egy csomó képernyővel, izzóval. és távirányítók. Ezt a vezérlőkomplexumot általában fő vezérlőteremnek nevezik – ez a fő vezérlőpanel a termelési létesítmény felügyeletére.
Biztosan kíváncsi volt, hogyan működik mindez hardveresen és szoftveresen, miben különböznek ezek a rendszerek a hagyományos személyi számítógépektől. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogyan jutnak el a különböző adatok a fő vezérlőterembe, hogyan küldik a parancsokat a berendezéseknek, és általában mire van szükség egy kompresszorállomás, egy propángyártó üzem, egy autó összeszerelő sor vagy akár egy csatorna szivattyútelep.
A legalacsonyabb szint vagy terepi busz az, ahol minden kezdődik
Ezt a szókészletet, amely az avatatlanok számára nem világos, akkor használjuk, ha a mikrokontrollerek és az alárendelt berendezések, például I/O modulok vagy mérőeszközök közötti kommunikációs eszközök leírására van szükség. Ezt a kommunikációs csatornát általában „field bus”-nak nevezik, mivel ez felelős a „mezőről” érkező adatok továbbításáért a vezérlőhöz.
A „mező” egy mély szakmai fogalom, amely arra utal, hogy néhány berendezés (például érzékelők vagy működtetők), amelyekkel a vezérlő kölcsönhatásba lép, valahol messze, távol, az utcán, a mezőkön, az éj leple alatt található. . És nem számít, hogy az érzékelő fél méterre található a vezérlőtől, és mérheti például a hőmérsékletet egy automatizálási szekrényben, továbbra is úgy tekintik, hogy „a terepen van”. Leggyakrabban az I/O modulokhoz érkező érzékelőktől érkező jelek még mindig több tíz és több száz méter (néha több) távolságot tesznek meg, és távoli helyekről vagy berendezésekről gyűjtenek információkat. Valójában ezért szokták terepi busznak, ritkábban alacsonyabb szintű busznak vagy ipari busznak nevezni azt a cserebuszt, amelyen keresztül a vezérlő ugyanazoktól az érzékelőktől kap értékeket.
Egy ipari létesítmény automatizálásának általános sémája
Tehát az érzékelőtől származó elektromos jel egy bizonyos távolságot kábelvonalak mentén halad (általában egy normál rézkábel mentén, bizonyos számú maggal), amelyhez több érzékelő csatlakozik. A jel ezután belép a feldolgozó modulba (bemeneti/kimeneti modul), ahol a vezérlő számára érthető digitális nyelvre alakítják át. Ezután ez a jel a terepi buszon keresztül közvetlenül a vezérlőhöz kerül, ahol végül feldolgozzák. Ilyen jelek alapján épül fel magának a mikrokontrollernek a működési logikája.
Legfelső szint: egy füzértől az egész munkaállomásig
A felső szintnek nevezzük mindazt, amit egy hétköznapi halandó kezelő meg tud érinteni, aki irányítja a technológiai folyamatot. A legegyszerűbb esetben a legfelső szint egy lámpa- és gombkészlet. Az izzók jelzik a kezelőt a rendszerben előforduló bizonyos eseményekről, a gombok segítségével parancsokat adnak ki a vezérlőnek. Ezt a rendszert gyakran „füzérnek” vagy „karácsonyfának” nevezik, mert nagyon hasonlónak tűnik (amint az a cikk elején látható fotón is látható).
Ha a kezelő szerencsésebb, akkor a legfelső szintként kap egy kezelőpanelt - egyfajta lapos számítógépet, amely így vagy úgy megkapja a megjelenítésre szánt adatokat a vezérlőtől, és megjeleníti a képernyőn. Az ilyen panelt általában magára az automatizálási szekrényre szerelik fel, így általában állva kell vele kommunikálni, ami kényelmetlenséget okoz, ráadásul a kis formátumú paneleken a kép minősége és mérete is hagy kívánnivalót maga után.
És végül egy példátlan nagylelkűség vonzereje - egy munkaállomás (vagy akár több másolat), amely egy közönséges személyi számítógép.
A felső szintű berendezéseknek valamilyen módon kölcsönhatásba kell lépniük a mikrokontrollerrel (különben miért van rá szükség?). Az ilyen interakcióhoz felső szintű protokollokat és egy bizonyos átviteli közeget használnak, például Ethernet vagy UART. A „karácsonyfa” esetében persze nincs szükség ekkora szofisztikációra, az izzók közönséges fizikai vonalakkal világítanak, ott nincsenek kifinomult interfészek, protokollok.
Általánosságban elmondható, hogy ez a felső szint kevésbé érdekes, mint a terepi busz, mivel lehet, hogy ez a felső szint egyáltalán nem létezik (a kezelőnek nincs mit néznie a sorozatból, a vezérlő maga találja ki, mit kell tenni és hogyan ).
„Ősi” adatátviteli protokollok: Modbus és HART
Kevesen tudják, de a világ teremtésének hetedik napján Isten nem nyugodott meg, hanem megteremtette a Modbust. A HART protokoll mellett a Modbus talán a legrégebbi ipari adatátviteli protokoll, 1979-ben jelent meg.
A soros interfészt kezdetben átviteli közegként használták, majd a Modbust TCP/IP-n keresztül valósították meg. Ez egy szinkron mester-szolga (master-slave) protokoll, amely a kérés-válasz elvet használja. A protokoll meglehetősen körülményes és lassú, az adatcsere sebessége a vevő és az adó jellemzőitől függ, de általában csaknem több száz milliszekundum, főleg soros interfészen keresztül megvalósítva.
Ráadásul a Modbus adatátviteli regiszter 16 bites, ami azonnal korlátozza a valós és a dupla típusok átvitelét. Részekben vagy a pontosság elvesztésével továbbítják őket. Bár a Modbus még mindig széles körben használatos olyan esetekben, amikor nincs szükség nagy kommunikációs sebességre, és az átvitt adatok elvesztése nem kritikus. Sok különféle eszközgyártó szereti a Modbus protokollt a saját exkluzív és nagyon eredeti módon bővíteni, nem szabványos funkciókat hozzáadva. Ezért ez a protokoll számos mutációval és eltéréssel rendelkezik a normától, de még mindig sikeresen él a modern világban.
A HART protokoll is a nyolcvanas évek óta létezik, ez egy kétvezetékes áramhurok vonalon keresztüli ipari kommunikációs protokoll, amely közvetlenül köti össze a 4-20 mA-es érzékelőket és más HART-kompatibilis eszközöket.
A HART vonalak váltásához speciális eszközöket, úgynevezett HART modemeket használnak. Vannak olyan konverterek is, amelyek a kimeneten mondjuk a Modbus protokollt biztosítják a felhasználónak.
A HART talán arról nevezetes, hogy a 4-20 mA-es szenzorok analóg jelein kívül magának a protokollnak a digitális jele is továbbítódik az áramkörben, ez lehetővé teszi a digitális és analóg részek egy kábelvonalban történő összekapcsolását. A modern HART modemek csatlakoztathatók a vezérlő USB portjához, Bluetooth-on keresztül, vagy a régi módon soros porton keresztül. Egy tucat évvel ezelőtt, a Wi-Fi-vel analóg módon, megjelent az ISM tartományban működő WirelessHART vezeték nélküli szabvány.
Második generációs protokollok vagy nem egészen ipari buszok ISA, PCI(e) és VME
A Modbus és HART protokollokat nem egészen ipari buszok váltották fel, mint például az ISA (MicroPC, PC/104) vagy a PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), valamint a VME.
Eljött a számítógépek korszaka, amelyek rendelkezésére áll egy univerzális adatbusz, ahol különböző kártyák (modulok) csatlakoztathatók egy bizonyos egységes jel feldolgozásához. Általában ebben az esetben a processzor modult (számítógépet) az úgynevezett keretbe helyezik, amely biztosítja a buszon keresztüli interakciót más eszközökkel. A keretet, vagy ahogy az igazi automatizálási szakértők szeretik nevezni, „láda” kiegészítik a szükséges bemeneti-kimeneti kártyákkal: analóg, diszkrét, interfész stb., vagy mindezt szendvics formájában rakják össze anélkül, hogy egy keret - az egyik tábla a másik tetején. Ezt követően ez a fajta a buszon (ISA, PCI stb.) adatot cserél a processzor modullal, amely így információt kap a szenzoroktól és valamilyen logikát valósít meg.
Vezérlő és I/O modulok PXI keretben PCI buszon. Forrás:
Ezekkel az ISA, PCI(e) és VME buszokkal minden rendben lenne, főleg azokra az időkre: a cseresebesség nem okoz csalódást, a rendszerelemek pedig egy keretben helyezkednek el, kompakt és kényelmes, nem biztos, hogy üzem közben cserélhető. I/O kártyák, de még nem igazán akarom.
De van egy légy a kenőcsben, és nem is egy. Elég nehéz elosztott rendszert építeni ilyen konfigurációban, az Exchange busz helyi, ki kell találni valamit, amivel adatot cserélhetsz más szolga vagy peer csomópontokkal, ugyanaz a Modbus TCP/IP-n vagy más protokollon keresztül, Általánosságban elmondható, hogy nincs elég kényelem. Nos, a második nem túl kellemes dolog: az I/O kártyák általában valamilyen egységes jelet várnak bemenetként, és nincs galvanikus leválasztásuk a terepi berendezésektől, ezért kerítést kell készíteni különféle átalakító modulokból és közbenső áramkörökből, ami nagymértékben bonyolítja az elembázist.
Köztes jelátalakító modulok galvanikus leválasztással. Forrás:
– Mi a helyzet az ipari busz protokollal? - kérdezed. Semmi. Ebben a megvalósításban nem létezik. A kábelvonalakon keresztül a jel az érzékelőktől a jelátalakítókig jut el, az átalakítók feszültséget adnak egy diszkrét vagy analóg I/O kártyára, és a kártyáról származó adatok már az I/O portokon keresztül is beolvasásra kerülnek az operációs rendszer segítségével. És nincsenek speciális protokollok.
Hogyan működnek a modern ipari buszok és protokollok
És most? A mai napig az automatizált rendszerek építésének klasszikus ideológiája kissé megváltozott. Számos tényező játszott szerepet, kezdve azzal, hogy az automatizálásnak is kényelmesnek kell lennie, és az egymástól távol eső csomópontokkal rendelkező elosztott automatizált rendszerek irányába mutató tendenciával.
Talán azt mondhatjuk, hogy az épületautomatizálási rendszereknek ma két fő koncepciója létezik: a lokalizált és az elosztott automatizált rendszerek.
Lokalizált rendszerek esetében, ahol az adatgyűjtés és vezérlés egy meghatározott helyen van központosítva, igény van egy közös gyorsbusszal összekapcsolt bemeneti/kimeneti modulok meghatározott készletére, beleértve a saját csereprotokolljával rendelkező vezérlőt is. Ebben az esetben az I/O modulok általában jelátalakítót és galvanikus leválasztást is tartalmaznak (bár természetesen nem mindig). Ez azt jelenti, hogy a végfelhasználónak elegendő megértenie, hogy milyen típusú érzékelők és mechanizmusok lesznek jelen az automatizált rendszerben, megszámolja a különböző típusú jelekhez szükséges bemeneti/kimeneti modulok számát, és egy közös vonalba kapcsolja őket a vezérlővel. . Ilyenkor főszabály szerint minden gyártó a kedvenc csereprotokollját használja az I/O modulok és a vezérlő között, és itt nagyon sok lehetőség adódhat.
Az elosztott rendszerek esetében minden igaz, amit a lokalizált rendszerekkel kapcsolatban mondanak, emellett fontos, hogy az egyes komponensek, például egy bemeneti-kimeneti modul készlet plusz egy információgyűjtő és -továbbító eszköz - egy nem nagyon intelligens mikrokontroller, amely valahol egy fülkében áll a szántóföldön, az olajat elzáró szelep mellett - hatékony árfolyam mellett kölcsönhatásba léphet ugyanazokkal a csomópontokkal és a nagy távolságban lévő fő vezérlővel.
Hogyan választanak protokollt a fejlesztők projektjükhöz? Minden modern csereprotokoll meglehetősen nagy teljesítményt nyújt, így az egyik vagy másik gyártó kiválasztását gyakran nem az árfolyam határozza meg ezen az ipari buszon. Maga a protokoll megvalósítása nem annyira fontos, mert a rendszerfejlesztő szemszögéből továbbra is egy fekete doboz lesz, amely bizonyos belső cserestruktúrát biztosít, és nem külső beavatkozásra van kialakítva. Leggyakrabban a gyakorlati jellemzőkre fordítják a figyelmet: a számítógép teljesítménye, a gyártói koncepció könnyű alkalmazhatósága az adott feladatra, a szükséges típusú I/O modulok elérhetősége, a modulok üzem közben cserélhetősége törés nélkül. a busz stb.
A népszerű berendezés-beszállítók kínálják az ipari protokollok saját implementációit: például a jól ismert Siemens cég fejleszti Profinet és Profibus protokollsorozatát, a B&R a Powerlink protokollt, a Rockwell Automation az EtherNet/IP protokollt. Egy hazai megoldás ebben a példalistában: az orosz Fastwel cég FBUS protokolljának egy verziója.
Vannak olyan univerzálisabb megoldások is, amelyek nem kötődnek egy adott gyártóhoz, mint például az EtherCAT és a CAN. Ezeket a protokollokat részletesen elemezzük a cikk folytatásában, és kitaláljuk, melyikük alkalmasabb konkrét alkalmazásokhoz: autóipar és repülőgépipar, elektronikai gyártás, helymeghatározó rendszerek és robotika. Maradj kapcsolatban!
Forrás: will.com