Sicuramente molti di voi sanno o hanno visto come vengono gestiti grandi oggetti automatizzati, ad esempio una centrale nucleare o un impianto con numerose linee tecnologiche: l'azione principale avviene spesso in una grande sala, con una miriade di schermi, luci e pannelli di controllo. Questo sistema di gestione viene solitamente chiamato GShU - il quadro di comando principale per il controllo dell'oggetto produttivo.
Sicuramente vi è stata la curiosità di sapere come funziona tutto ciò dal punto di vista hardware e software, e in che modo questi sistemi si differenziano dai tradizionali computer personali. In questo articolo esamineremo come i vari dati vengono trasmessi al GShU, come vengono inviate le comandi all'attrezzatura e cosa serve per gestire una stazione di compressione, un impianto di produzione di propano, una linea di assemblaggio di automobili o persino un impianto di sollevamento fognario.
Il livello inferiore o la rete di campo - da dove tutto ha inizio
Questo insieme poco chiaro di parole per i profani viene utilizzato quando si deve descrivere i mezzi di comunicazione tra microcontrollori e attrezzature subordinate, come moduli di input-output o dispositivi di misurazione. Questo canale di comunicazione è generalmente chiamato "rete di campo", perché è responsabile della trasmissione al controllore dei dati che provengono dal "campo".
"Campo" è un termine professionale profondo che indica il fatto che alcune attrezzature (ad esempio, sensori o attuatori) con cui il controllore interagisce si trovano da qualche parte lontano, all'aperto, nei campi, sotto il velario della notte. E non importa che il sensore possa trovarsi a mezzo metro dal controllore e misurare, ad esempio, la temperatura in un armadio di automazione, si considera comunque che si trovi "nel campo". Nella maggior parte dei casi, i segnali dai sensori, che arrivano ai moduli di input-output, coprono comunque distanze che vanno da decine a centinaia di metri (e talvolta anche di più), raccogliendo informazioni da siti o attrezzature remote. Infatti, per questo motivo il bus di scambio, attraverso il quale il controllore riceve i valori da questi sensori, è solitamente chiamato rete di campo o meno frequentemente bus di livello inferiore o bus industriale.
Schema generale di automazione di un oggetto industriale
Quindi, il segnale elettrico proveniente dal sensore percorre una certa distanza attraverso i cavi (spesso attraverso un normale cavo di rame con un certo numero di conduttori), a cui si collegano diversi sensori. Successivamente, il segnale arriva al modulo di elaborazione (modulo input-output), dove viene convertito in un linguaggio digitale comprensibile per il controller. Questo segnale poi attraversa il bus di campo e arriva direttamente al controller, dove viene elaborato definitivamente. La logica di funzionamento del microcontrollore si basa su questi segnali.
Livello superiore: dalla garland a una vera e propria stazione di lavoro
Si definisce livello superiore tutto ciò con cui può interagire un comune operatore, che gestisce il processo tecnologico. Nel caso più semplice, il livello superiore consiste in un insieme di luci e pulsanti. Le luci segnalano all'operatore eventi che si verificano nel sistema, mentre i pulsanti servono a inviare comandi al controller. Questo sistema viene spesso chiamato "garland" o "albero", poiché appare molto simile (come si può vedere dalla foto all'inizio dell'articolo).
Se all'operatore va meglio, il livello superiore sarà rappresentato da un pannello operatore — un computer a schermo piatto che riceve in un modo o nell'altro i dati da visualizzare dal controller e li mostra sullo schermo. Questo pannello è solitamente montato nella stessa armadiatura dell'automazione, quindi interagire con esso richiede di solito di stare in piedi, il che può risultare scomodo; inoltre, la qualità e le dimensioni delle immagini sui pannelli di piccole dimensioni lasciano a desiderare.
E infine, l'attrazione della generosità senza precedenti — la stazione di lavoro (o anche più di una duplicata), che è un normale computer personale.
L'attrezzatura di livello superiore deve interagire in qualche modo con il microcontrollore (altrimenti a cosa servirebbe?). Per tale interazione vengono utilizzati protocolli di livello superiore e un certo mezzo di trasmissione, ad esempio, Ethernet o UART. Nel caso dell'"albero", ovviamente non sono richiesti tali artifici: le luci si accendono utilizzando semplici linee fisiche, senza interfacce o protocolli complessi.
In generale, questo livello superiore è meno interessante rispetto al bus di campo, poiché questo livello superiore potrebbe non esistere affatto (dalla serie c'è poco da mostrare all'operatore, il controllore si occuperà di come e cosa fare).
«Protocollo» di trasmissione dati: Modbus e HART
Pochi sanno che nel settimo giorno della creazione del mondo Dio non riposava, ma creava Modbus. Insieme al protocollo HART, Modbus è probabilmente il protocollo di trasmissione dati industriale più antico, nato addirittura nel 1979.
Inizialmente, veniva utilizzata un'interfaccia seriale come mezzo di trasmissione, poi Modbus è stato implementato sopra TCP/IP. È un protocollo sincrono basato sullo schema «master-slave» (principale/sottoposto), che utilizza il principio «richiesta-risposta». Il protocollo è piuttosto pesante e lento; la velocità di scambio dipende dalle caratteristiche del ricevitore e del trasmettitore, ma di solito si parla di centinaia di millisecondi, specialmente nell'implementazione tramite interfaccia seriale.
Inoltre, il registro di trasmissione dati di Modbus è a 16 bit, il che impone immediatamente delle limitazioni nella trasmissione di tipi reali e doppie. Questi vengono trasmessi o a pezzi, o con perdita di precisione. Sebbene Modbus venga ancora ampiamente utilizzato nei casi in cui non è necessaria una velocità di scambio elevata e la perdita di dati trasmessi non è critica. Molti produttori di dispositivi diversi amano ampliare il protocollo Modbus in modi esclusivi e molto originali, aggiungendo funzioni non standard. Pertanto, questo protocollo ha molte mutazioni e deviazioni dalla norma, ma continua a vivere con successo nel mondo moderno.
Il protocollo HART esiste anche dagli anni Ottanta, è un protocollo industriale di scambio sopra una linea a due fili di un anello di corrente, a cui sono collegati direttamente sensori 4-20 mA e altri dispositivi compatibili con il protocollo HART.
Per la commutazione delle linee HART vengono utilizzati dispositivi speciali, i cosiddetti modem HART. Esistono anche convertitori che forniscono all'uscita già, ad esempio, il protocollo Modbus.
È notevole HART, forse, perché oltre ai segnali analogici dei sensori da 4-20 mA, viene trasmesso anche il segnale digitale del protocollo, il che consente di connettere le parti digitali e analogiche in un'unica linea di cablaggio. I moderni modem HART possono essere collegati alla porta USB del controllore, connettersi tramite Bluetooth, oppure utilizzando il vecchio metodo tramite porta seriale. Dieci anni fa, analogamente al Wi-Fi, è apparso anche lo standard wireless WirelessHART, che opera nella gamma ISM.
La seconda generazione di protocolli o bus non proprio industriali ISA, PCI(e) e VME
I protocolli Modbus e HART sono stati sostituiti da bus non del tutto industriali, come ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), così come VME.
È arrivata l'era dei calcolatori che dispongono di un bus di dati universale, dove è possibile collegare diverse schede (moduli) per elaborare un segnale unificato. In genere, in questo caso, il modulo del processore (calcolatore) viene inserito nel cosiddetto chassis, che garantisce l'interazione tramite il bus con altri dispositivi. Lo chassis, o come lo chiamano i veri automatori, "crate", è completato con le schede di input-output necessarie: analogiche, discrete, interfaccia, ecc., o tutto ciò viene assemblato in forma di un panino senza chassis - una scheda sopra l'altra. Dopo di che, questa varietà sul bus (ISA, PCI, ecc.) scambia dati con il modulo del processore, che in questo modo riceve informazioni dai sensori e realizza una certa logica.
Controllore e moduli di input-output nello chassis PXI sul bus PCI. Fonte:
Tutto bene con questi bus ISA, PCI(e) e VME, soprattutto per quei tempi: né la velocità di scambio delude, né i componenti del sistema sono collocati in un'unica cassa, in modo compatto e conveniente; potrebbe anche non esserci la sostituzione a caldo delle schede di input-output, ma per ora non si desidera molto.
Ma c'è un cucchiaio di catrame, e non uno solo. Costruire un sistema distribuito è piuttosto difficile in questa configurazione, il bus di scambio è locale, quindi bisogna inventarsi qualcosa per lo scambio dei dati con altri nodi subordinati o paritari, come Modbus su TCP/IP o qualche altro protocollo; insomma, ci sono pochi comfort. E un'altra cosa non molto piacevole: le schede di ingresso-uscita solitamente aspettano in ingresso un segnale unificato, e non hanno isolamento galvanico con l'attrezzatura di campo, quindi bisogna costruire un campo di vari moduli di conversione e di elettronica intermedia, il che complica notevolmente la base dei componenti.
Moduli intermedi di conversione del segnale con isolamento galvanico. Fonte:
"E riguardo al protocollo di scambio sul bus industriale?" chiederete voi. E niente. Non esiste in tale implementazione. Sulle linee cablate, il segnale arriva dai sensori ai convertitori di segnale, i convertitori forniscono tensione alla scheda di ingresso-uscita digitale o analogica, e i dati dalla scheda vengono letti attraverso le porte di ingresso/uscita, usando i mezzi del sistema operativo. E nessun protocollo specializzato.
Come funzionano i moderni bus industriali e protocolli
E adesso? Fino ad oggi, la classica ideologia per la costruzione di sistemi automatizzati è cambiata un po'. Hanno influito molti fattori, a cominciare dal fatto che l'automazione deve essere anche comoda, fino alla tendenza verso sistemi automatizzati distribuiti con nodi distanti tra loro.
Si può dire che al giorno d'oggi ci sono due principali concetti di costruzione dei sistemi di automazione: sistemi automatizzati localizzati e distribuiti.
Nel caso di sistemi localizzati, dove la raccolta dei dati e la gestione sono centralizzate in un luogo specifico, è richiesta la concezione di un insieme di moduli di input-output, collegati tra loro attraverso un bus veloce comune, inclusi un controllore con il proprio protocollo di comunicazione. Di solito, i moduli di input-output contengono sia il convertitore di segnale che l'isolamento galvannico (sebbene, ovviamente, non sempre). Cioè, il consumatore finale deve solo capire quali tipi di sensori e meccanismi saranno presenti nel sistema automatizzato, conteggiare il numero di moduli di input-output richiesti per diversi tipi di segnali e collegarli in un'unica linea comune con il controllore. In questo caso, di norma, ogni produttore utilizza il proprio protocollo di comunicazione preferito tra i moduli di input-output e il controllore, e ci possono essere molte varianti.
Nel caso di sistemi distribuiti, quanto detto in relazione ai sistemi localizzati è valido, eccetto per il fatto che è importante che i singoli componenti, ad esempio, un insieme di moduli di input-output più un dispositivo di raccolta e trasmissione delle informazioni — un microcontrollore non molto intelligente, situato da qualche parte in una cabina nel campo, vicino a una valvola che chiude il petrolio — possano interagire con nodi simili e con il controllore principale a grande distanza con una velocità di scambio efficace.
Come fanno gli sviluppatori a scegliere il protocollo per il proprio progetto? Tutti i moderni protocolli di comunicazione garantiscono prestazioni piuttosto elevate, quindi spesso la scelta di un determinato produttore è determinata non dalla velocità di comunicazione tramite quel specifico bus industriale. Non importa molto neppure l'implementazione del protocollo stesso, perché, dal punto di vista dello sviluppatore del sistema, si tratterà comunque di una scatola nera che fornisce una certa struttura interna di scambio e non è progettata per interventi esterni. La maggior parte delle volte si prestano attenzione alle caratteristiche pratiche: prestazioni del calcolatore, facilità di applicazione del concetto del produttore al compito assegnato, disponibilità dei tipo di moduli di input-output necessari, possibilità di sostituzione a caldo dei moduli senza interrompere il bus, ecc.
Fornitori di attrezzature popolari offrono implementazioni dei protocolli industriali: ad esempio, la nota azienda Siemens sviluppa la sua serie di protocolli Profinet e Profibus, l'azienda B&R — il protocollo Powerlink, Rockwell Automation — il protocollo EtherNet/IP. Una soluzione domestica in questo elenco di esempi: la versione del protocollo FBUS della società russa Fastwel.
Esistono anche soluzioni più universali, che non sono legate a un produttore specifico, come EtherCAT e CAN. Analizzeremo in dettaglio questi protocolli nella continuazione dell'articolo e scopriremo quali di essi sono più adatti per applicazioni specifiche: industria automobilistica e aerospaziale, produzione di elettronica, sistemi di posizionamento e robotica. Rimanete in contatto!
Fonte: habr.com
