Pasti banyak dari Anda yang mengetahui atau bahkan pernah melihat betapa besarnya objek otomatis dikendalikan, misalnya pembangkit listrik tenaga nuklir atau pabrik dengan banyak jalur produksi: aksi utamanya sering kali terjadi di ruangan besar, dengan banyak layar, bola lampu. dan kendali jarak jauh. Kompleks kendali ini biasa disebut ruang kendali utama – panel kendali utama untuk memantau fasilitas produksi.
Pasti Anda bertanya-tanya bagaimana cara kerjanya dari segi perangkat keras dan perangkat lunak, apa perbedaan sistem ini dengan komputer pribadi konvensional. Pada artikel ini, kita akan melihat bagaimana berbagai data sampai ke ruang kendali utama, bagaimana perintah dikirim ke peralatan, dan apa yang umumnya diperlukan untuk mengendalikan stasiun kompresor, pabrik produksi propana, jalur perakitan mobil, atau bahkan a pabrik pemompaan saluran pembuangan.
Level terendah atau fieldbus adalah tempat semuanya dimulai
Kumpulan kata-kata ini, yang tidak jelas bagi yang belum tahu, digunakan ketika diperlukan untuk menjelaskan sarana komunikasi antara mikrokontroler dan peralatan bawahannya, misalnya modul I/O atau alat pengukur. Biasanya saluran komunikasi ini disebut “field bus” karena bertanggung jawab untuk mentransmisikan data yang berasal dari “field” ke pengontrol.
"Lapangan" adalah istilah profesional mendalam yang mengacu pada fakta bahwa beberapa peralatan (misalnya, sensor atau aktuator) yang berinteraksi dengan pengontrol terletak di suatu tempat yang jauh, jauh sekali, di jalan, di ladang, di bawah naungan malam. . Dan tidak masalah jika sensor dapat ditempatkan setengah meter dari pengontrol dan mengukur, katakanlah, suhu di kabinet otomasi, tetap dianggap “di lapangan”. Seringkali, sinyal dari sensor yang tiba di modul I/O masih menempuh jarak puluhan hingga ratusan meter (dan terkadang lebih), mengumpulkan informasi dari lokasi atau peralatan jarak jauh. Sebenarnya, itulah sebabnya bus pertukaran, yang melaluinya pengontrol menerima nilai dari sensor yang sama, biasanya disebut bus lapangan atau, lebih jarang, bus tingkat rendah atau bus industri.
Skema umum otomatisasi fasilitas industri
Jadi, sinyal listrik dari sensor menempuh jarak tertentu melalui jalur kabel (biasanya sepanjang kabel tembaga biasa dengan jumlah inti tertentu), yang dihubungkan dengan beberapa sensor. Sinyal kemudian memasuki modul pemrosesan (modul input/output), di mana sinyal tersebut diubah menjadi bahasa digital yang dapat dimengerti oleh pengontrol. Selanjutnya, sinyal ini melalui bus lapangan langsung menuju ke pengontrol, di mana sinyal tersebut akhirnya diproses. Berdasarkan sinyal tersebut, logika operasi mikrokontroler itu sendiri dibangun.
Tingkat atas: dari karangan bunga hingga seluruh stasiun kerja
Tingkat atas disebut segala sesuatu yang dapat disentuh oleh operator manusia biasa yang mengendalikan proses teknologi. Dalam kasus paling sederhana, tingkat atas adalah sekumpulan lampu dan tombol. Bola lampu memberi sinyal kepada operator tentang peristiwa tertentu yang terjadi dalam sistem, tombol digunakan untuk mengeluarkan perintah ke pengontrol. Sistem ini sering disebut “karangan bunga” atau “pohon Natal” karena tampilannya sangat mirip (seperti yang Anda lihat dari foto di awal artikel).
Jika operator lebih beruntung, maka sebagai level teratas ia akan mendapatkan panel operator - sejenis komputer panel datar yang dengan satu atau lain cara menerima data untuk ditampilkan dari pengontrol dan menampilkannya di layar. Panel seperti itu biasanya dipasang pada kabinet otomasi itu sendiri, jadi Anda biasanya harus berinteraksi dengannya sambil berdiri, yang menyebabkan ketidaknyamanan, ditambah lagi kualitas dan ukuran gambar pada panel format kecil masih jauh dari yang diinginkan.
Dan akhirnya, daya tarik kemurahan hati yang belum pernah terjadi sebelumnya - sebuah stasiun kerja (atau bahkan beberapa duplikat), yang merupakan komputer pribadi biasa.
Peralatan tingkat atas harus berinteraksi dengan mikrokontroler (jika tidak, mengapa diperlukan?). Untuk interaksi tersebut, protokol tingkat atas dan media transmisi tertentu digunakan, misalnya Ethernet atau UART. Dalam kasus “pohon Natal”, kecanggihan seperti itu, tentu saja, tidak diperlukan; bola lampu dinyalakan menggunakan jalur fisik biasa, tidak ada antarmuka atau protokol canggih di sana.
Secara umum, tingkat atas ini kurang menarik dibandingkan bus lapangan, karena tingkat atas ini mungkin tidak ada sama sekali (operator tidak melihat apa pun dari rangkaian; pengontrol sendiri yang akan mencari tahu apa yang perlu dilakukan dan bagaimana caranya. ).
Protokol transfer data “Kuno”: Modbus dan HART
Hanya sedikit orang yang tahu, namun pada hari ketujuh penciptaan dunia, Tuhan tidak beristirahat, melainkan menciptakan Modbus. Seiring dengan protokol HART, Modbus mungkin merupakan protokol transfer data industri tertua; muncul pada tahun 1979.
Antarmuka serial awalnya digunakan sebagai media transmisi, kemudian Modbus diimplementasikan melalui TCP/IP. Ini adalah protokol master-slave (master-slave) sinkron yang menggunakan prinsip permintaan-respons. Protokolnya cukup rumit dan lambat, kecepatan pertukaran tergantung pada karakteristik penerima dan pemancar, namun biasanya hitungannya hampir ratusan milidetik, terutama bila diimplementasikan melalui antarmuka serial.
Selain itu, register transfer data Modbus adalah 16-bit, yang segera memberlakukan pembatasan pada transfer tipe nyata dan ganda. Mereka ditransmisikan sebagian atau dengan kehilangan akurasi. Meskipun Modbus masih banyak digunakan dalam kasus di mana kecepatan komunikasi yang tinggi tidak diperlukan dan hilangnya data yang dikirimkan tidak terlalu penting. Banyak produsen berbagai perangkat suka memperluas protokol Modbus dengan cara mereka sendiri yang eksklusif dan sangat orisinal, dengan menambahkan fungsi non-standar. Oleh karena itu, protokol ini mengalami banyak mutasi dan penyimpangan dari norma, namun masih berhasil diterapkan di dunia modern.
Protokol HART juga telah ada sejak tahun delapan puluhan, ini adalah protokol komunikasi industri melalui jalur loop arus dua kabel yang secara langsung menghubungkan sensor 4-20 mA dan perangkat lain yang mendukung HART.
Untuk mengganti jalur HART, digunakan perangkat khusus yang disebut modem HART. Ada juga konverter yang menyediakan, misalnya, protokol Modbus kepada pengguna pada outputnya.
HART mungkin terkenal karena selain sinyal analog dari sensor 4-20 mA, sinyal digital dari protokol itu sendiri juga ditransmisikan dalam rangkaian, ini memungkinkan Anda untuk menghubungkan bagian digital dan analog dalam satu jalur kabel. Modem HART modern dapat dihubungkan ke port USB pengontrol, dihubungkan melalui Bluetooth, atau dengan cara lama melalui port serial. Belasan tahun yang lalu, dengan analogi Wi-Fi, standar nirkabel WirelessHART yang beroperasi dalam jangkauan ISM muncul.
Protokol generasi kedua atau bukan bus industri ISA, PCI(e) dan VME
Protokol Modbus dan HART telah digantikan oleh bus yang tidak terlalu industri, seperti ISA (MicroPC, PC/104) atau PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), serta VME.
Era komputer telah tiba yang memiliki bus data universal, di mana berbagai papan (modul) dapat dihubungkan untuk memproses sinyal terpadu tertentu. Sebagai aturan, dalam hal ini, modul prosesor (komputer) dimasukkan ke dalam bingkai yang disebut, yang memastikan interaksi melalui bus dengan perangkat lain. Bingkai, atau, sebagaimana para ahli otomasi sejati menyebutnya, "peti", dilengkapi dengan papan input-output yang diperlukan: analog, diskrit, antarmuka, dll., atau semua ini disatukan dalam bentuk sandwich tanpa bingkai - satu papan di atas papan lainnya. Setelah itu, variasi di bus ini (ISA, PCI, dll.) bertukar data dengan modul prosesor, yang kemudian menerima informasi dari sensor dan mengimplementasikan beberapa logika.
Modul pengontrol dan I/O dalam bingkai PXI pada bus PCI. Sumber:
Semuanya akan baik-baik saja dengan bus ISA, PCI(e) dan VME ini, terutama pada saat itu: kecepatan pertukaran tidak mengecewakan, dan komponen sistem ditempatkan dalam satu frame, kompak dan nyaman, mungkin tidak ada hot-swappable Kartu I/O, tapi saya belum terlalu menginginkannya.
Tapi ada lalat di salep, dan lebih dari satu. Cukup sulit untuk membangun sistem terdistribusi dalam konfigurasi seperti itu, bus pertukaran bersifat lokal, Anda perlu membuat sesuatu untuk bertukar data dengan node budak atau rekan lainnya, Modbus yang sama melalui TCP/IP atau protokol lain, di secara umum, kemudahannya tidak cukup. Nah, hal kedua yang tidak terlalu menyenangkan: papan I/O biasanya mengharapkan semacam sinyal terpadu sebagai masukan, dan papan tersebut tidak memiliki isolasi galvanis dari peralatan lapangan, jadi Anda perlu membuat pagar dari berbagai modul konversi dan sirkuit perantara, yang sangat mempersulit basis elemen.
Modul konversi sinyal perantara dengan isolasi galvanik. Sumber:
“Bagaimana dengan protokol bus industri?” - Anda bertanya. Tidak ada apa-apa. Itu tidak ada dalam implementasi ini. Melalui jalur kabel, sinyal berpindah dari sensor ke konverter sinyal, konverter menyuplai tegangan ke papan I/O diskrit atau analog, dan data dari papan tersebut sudah dibaca melalui port I/O menggunakan OS. Dan tidak ada protokol khusus.
Cara kerja bus dan protokol industri modern
Apa sekarang? Hingga saat ini, ideologi klasik dalam membangun sistem otomatis telah sedikit berubah. Banyak faktor yang berperan, dimulai dengan fakta bahwa otomatisasi juga harus nyaman, dan diakhiri dengan tren menuju sistem otomatis terdistribusi dengan node yang berjauhan satu sama lain.
Mungkin kita dapat mengatakan bahwa ada dua konsep utama untuk membangun sistem otomasi saat ini: sistem otomatis terlokalisasi dan terdistribusi.
Dalam kasus sistem lokal, di mana pengumpulan dan kontrol data dipusatkan di satu lokasi tertentu, konsep sekumpulan modul input/output tertentu yang saling berhubungan melalui bus cepat umum, termasuk pengontrol dengan protokol pertukarannya sendiri, sangat dibutuhkan. Dalam hal ini, sebagai aturan, modul I/O mencakup konverter sinyal dan isolasi galvanik (meskipun, tentu saja, tidak selalu). Artinya, pengguna akhir cukup memahami jenis sensor dan mekanisme apa yang akan ada dalam sistem otomatis, menghitung jumlah modul input/output yang diperlukan untuk berbagai jenis sinyal dan menghubungkannya ke dalam satu jalur umum dengan pengontrol. . Dalam hal ini, sebagai aturan, setiap pabrikan menggunakan protokol pertukaran favoritnya antara modul I/O dan pengontrol, dan terdapat banyak opsi di sini.
Dalam kasus sistem terdistribusi, semua yang dikatakan sehubungan dengan sistem lokal adalah benar, selain itu, penting bahwa masing-masing komponen, misalnya, satu set modul input-output ditambah perangkat untuk mengumpulkan dan mengirimkan informasi - tidak mikrokontroler yang sangat cerdas yang berdiri di suatu tempat di bilik di lapangan, di samping katup yang mematikan oli - dapat berinteraksi dengan node yang sama dan dengan pengontrol utama pada jarak yang sangat jauh dengan nilai tukar yang efektif.
Bagaimana cara pengembang memilih protokol untuk proyek mereka? Semua protokol pertukaran modern memberikan kinerja yang cukup tinggi, sehingga pilihan satu atau beberapa produsen seringkali tidak ditentukan oleh nilai tukar pada bus industri ini. Implementasi protokol itu sendiri tidak begitu penting, karena dari sudut pandang pengembang sistem, itu masih berupa kotak hitam yang menyediakan struktur pertukaran internal tertentu dan tidak dirancang untuk campur tangan pihak luar. Paling sering, perhatian diberikan pada karakteristik praktis: kinerja komputer, kemudahan menerapkan konsep pabrikan pada tugas yang ada, ketersediaan jenis modul I/O yang diperlukan, kemampuan modul hot-swappable tanpa putus. bus, dll.
Pemasok peralatan populer menawarkan implementasi protokol industri mereka sendiri: misalnya, perusahaan terkenal Siemens sedang mengembangkan rangkaian protokol Profinet dan Profibus, B&R mengembangkan protokol Powerlink, Rockwell Automation mengembangkan protokol EtherNet/IP. Solusi domestik dalam daftar contoh ini: versi protokol FBUS dari perusahaan Rusia Fastwel.
Ada juga solusi yang lebih universal yang tidak terikat pada pabrikan tertentu, seperti EtherCAT dan CAN. Kami akan menganalisis protokol-protokol ini secara mendetail dalam kelanjutan artikel ini dan mencari tahu protokol mana yang lebih cocok untuk aplikasi spesifik: industri otomotif dan dirgantara, manufaktur elektronik, sistem penentuan posisi, dan robotika. Tetap berhubungan!
Sumber: www.habr.com