Sicuramente molti di voi sanno o hanno visto come vengono controllati i grandi oggetti automatizzati, ad esempio una centrale nucleare o una fabbrica con molte linee di produzione: l'azione principale si svolge spesso in una grande stanza, con una serie di schermi, lampadine e telecomandi. Questo complesso di controllo è solitamente chiamato sala di controllo principale, il pannello di controllo principale per il monitoraggio dell'impianto di produzione.
Sicuramente ti starai chiedendo come funziona tutto in termini di hardware e software, in che modo questi sistemi differiscono dai personal computer convenzionali. In questo articolo esamineremo come i vari dati arrivano alla sala di controllo principale, come i comandi vengono inviati alle apparecchiature e cosa è generalmente necessario per controllare una stazione di compressione, un impianto di produzione di propano, una catena di montaggio di automobili o anche un impianto di pompaggio fognario.
Tutto ha inizio dal livello più basso o bus di campo
Questo insieme di parole, poco chiare per chi non lo sapesse, viene utilizzato quando è necessario descrivere i mezzi di comunicazione tra microcontrollori e apparecchiature subordinate, ad esempio moduli I/O o dispositivi di misurazione. Tipicamente questo canale di comunicazione è chiamato “field bus” perché è responsabile della trasmissione dei dati che provengono dal “campo” al controller.
"Campo" è un termine profondamente professionale che si riferisce al fatto che alcune apparecchiature (ad esempio sensori o attuatori) con cui interagisce il controller si trovano da qualche parte molto, molto lontano, per strada, nei campi, sotto la copertura della notte . E non importa che il sensore possa essere posizionato a mezzo metro dal controller e misurare, ad esempio, la temperatura in un armadio di automazione, si considera comunque che sia "sul campo". Molto spesso, i segnali provenienti dai sensori che arrivano ai moduli I/O percorrono ancora distanze da decine a centinaia di metri (e talvolta di più), raccogliendo informazioni da siti o apparecchiature remote. In realtà è per questo motivo che il bus di scambio, attraverso il quale il controller riceve i valori dagli stessi sensori, viene solitamente chiamato bus di campo o, meno comunemente, bus di livello inferiore o bus industriale.
Schema generale di automazione di un impianto industriale
Pertanto, il segnale elettrico proveniente dal sensore percorre una certa distanza lungo le linee del cavo (di solito lungo un normale cavo di rame con un certo numero di nuclei), a cui sono collegati diversi sensori. Il segnale entra quindi nel modulo di elaborazione (modulo di ingresso/uscita), dove viene convertito in un linguaggio digitale comprensibile al controllore. Successivamente questo segnale viene inviato tramite il bus di campo direttamente al controller, dove viene infine elaborato. Sulla base di tali segnali viene costruita la logica di funzionamento del microcontrollore stesso.
Il massimo livello: da una ghirlanda a un'intera postazione di lavoro
Il livello superiore è chiamato tutto ciò che può essere toccato da un normale operatore mortale che controlla il processo tecnologico. Nel caso più semplice, il livello più alto è un insieme di luci e pulsanti. Le lampadine segnalano all'operatore determinati eventi che si verificano nel sistema, i pulsanti vengono utilizzati per impartire comandi al controller. Questo sistema viene spesso chiamato “ghirlanda” o “albero di Natale” perché sembra molto simile (come puoi vedere dalla foto all'inizio dell'articolo).
Se l'operatore è più fortunato, come livello più alto otterrà un pannello operatore, una sorta di computer a schermo piatto che in un modo o nell'altro riceve i dati per la visualizzazione dal controller e li visualizza sullo schermo. Un pannello del genere è solitamente montato sull'armadio di automazione stesso, quindi di solito è necessario interagire con esso stando in piedi, il che causa inconvenienti, inoltre la qualità e le dimensioni dell'immagine sui pannelli di piccolo formato lasciano molto a desiderare.
E infine, un'attrazione di generosità senza precedenti: una workstation (o anche diversi duplicati), che è un normale personal computer.
Le apparecchiature di livello superiore devono interagire in qualche modo con il microcontrollore (altrimenti perché serve?). Per tale interazione vengono utilizzati protocolli di livello superiore e un determinato mezzo di trasmissione, ad esempio Ethernet o UART. Nel caso dell’“albero di Natale” tali sofisticazioni, ovviamente, non sono necessarie; le lampadine si accendono utilizzando normali linee fisiche, lì non esistono interfacce o protocolli sofisticati.
In generale, questo livello superiore è meno interessante del bus di campo, poiché questo livello superiore potrebbe non esistere affatto (non c'è nulla che l'operatore possa guardare della serie; il controller stesso capirà cosa deve essere fatto e come ).
Protocolli di trasferimento dati “antichi”: Modbus e HART
Pochi lo sanno, ma il settimo giorno della creazione del mondo, Dio non si riposò, ma creò Modbus. Insieme al protocollo HART, Modbus è forse il più antico protocollo di trasferimento dati industriale; è apparso nel 1979.
Inizialmente come mezzo di trasmissione è stata utilizzata l'interfaccia seriale, successivamente è stato implementato Modbus su TCP/IP. Si tratta di un protocollo sincrono master-slave (master-slave) che utilizza il principio richiesta-risposta. Il protocollo è piuttosto macchinoso e lento, la velocità di scambio dipende dalle caratteristiche di ricevitore e trasmettitore, ma solitamente il conteggio sfiora le centinaia di millisecondi, soprattutto se implementato tramite interfaccia seriale.
Inoltre, il registro di trasferimento dati Modbus è a 16 bit, il che impone immediatamente restrizioni al trasferimento di tipi reali e doppi. Vengono trasmessi in parti o con perdita di precisione. Sebbene Modbus sia ancora ampiamente utilizzato nei casi in cui non sono necessarie velocità di comunicazione elevate e la perdita dei dati trasmessi non è critica. Molti produttori di vari dispositivi amano espandere il protocollo Modbus in un modo esclusivo e molto originale, aggiungendo funzioni non standard. Pertanto, questo protocollo presenta molte mutazioni e deviazioni dalla norma, ma vive ancora con successo nel mondo moderno.
Anche il protocollo HART esiste dagli anni ottanta, è un protocollo di comunicazione industriale su una linea di loop di corrente a due fili che collega direttamente sensori da 4-20 mA e altri dispositivi abilitati HART.
Per la commutazione delle linee HART vengono utilizzati dispositivi speciali, i cosiddetti modem HART. Esistono anche convertitori che forniscono all'utente, ad esempio, il protocollo Modbus in uscita.
HART è forse degno di nota per il fatto che oltre ai segnali analogici dei sensori 4-20 mA, nel circuito viene trasmesso anche il segnale digitale del protocollo stesso, ciò consente di collegare le parti digitali e analogiche su un'unica linea via cavo. I moderni modem HART possono essere collegati alla porta USB del controller, tramite Bluetooth o alla vecchia maniera tramite una porta seriale. Una dozzina di anni fa, per analogia con il Wi-Fi, apparve lo standard wireless WirelessHART, operante nella gamma ISM.
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 proprio industriali, come ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), nonché VME.
È arrivata l'era dei computer che hanno a disposizione un bus dati universale, dove è possibile collegare varie schede (moduli) per elaborare un determinato segnale unificato. Di norma, in questo caso, il modulo processore (computer) viene inserito nel cosiddetto frame, che garantisce l'interazione tramite bus con altri dispositivi. Il telaio, o, come amano chiamarlo i veri esperti di automazione, "cassa", viene integrato con le necessarie schede input-output: analogiche, discrete, di interfaccia, ecc., oppure tutto questo viene messo insieme sotto forma di un sandwich senza una cornice: una tavola sopra l'altra. Successivamente, questa varietà sul bus (ISA, PCI, ecc.) scambia dati con il modulo processore, che riceve quindi informazioni dai sensori e implementa una logica.
Controller e moduli I/O in un frame PXI su un bus PCI. Fonte:
Andrebbe tutto bene con questi bus ISA, PCI(e) e VME, soprattutto per quei tempi: la velocità di scambio non è deludente e i componenti del sistema si trovano in un unico frame, compatto e conveniente, potrebbe non essere sostituibile a caldo Schede I/O, ma non voglio ancora farlo.
Ma c’è un neo, e più di uno. È abbastanza difficile costruire un sistema distribuito in una tale configurazione, il bus di scambio è locale, bisogna inventare qualcosa per scambiare dati con altri nodi slave o peer, lo stesso Modbus su TCP/IP o qualche altro protocollo, in in generale, non ci sono abbastanza comodità. Bene, la seconda cosa non molto piacevole: le schede I/O di solito si aspettano una sorta di segnale unificato in ingresso e non hanno isolamento galvanico dalle apparecchiature di campo, quindi è necessario creare una recinzione con vari moduli di conversione e circuiti intermedi, il che complica notevolmente l'elemento base.
Moduli intermedi di conversione del segnale con isolamento galvanico. Fonte:
"E il protocollo del bus industriale?" - tu chiedi. Niente. Non esiste in questa implementazione. Attraverso i cavi, il segnale viaggia dai sensori ai convertitori di segnale, i convertitori forniscono tensione a una scheda I/O discreta o analogica e i dati dalla scheda vengono già letti attraverso le porte I/O utilizzando il sistema operativo. E nessun protocollo specializzato.
Come funzionano i moderni bus e protocolli industriali
E adesso? Ad oggi, l’ideologia classica della costruzione di sistemi automatizzati è leggermente cambiata. Molti fattori hanno giocato un ruolo, a cominciare dal fatto che l'automazione dovrebbe essere anche conveniente, per finire con la tendenza verso sistemi automatizzati distribuiti con nodi distanti tra loro.
Forse possiamo dire che oggi esistono due concetti principali per i sistemi di building automation: sistemi automatizzati localizzati e distribuiti.
Nel caso di sistemi localizzati, dove la raccolta e il controllo dei dati sono centralizzati in un luogo specifico, è richiesto il concetto di un determinato insieme di moduli di ingresso/uscita interconnessi da un bus veloce comune, compreso un controller con il proprio protocollo di scambio. In questo caso, di norma, i moduli I/O includono sia un convertitore di segnale che un isolamento galvanico (anche se, ovviamente, non sempre). Cioè è sufficiente che l'utente finale comprenda quali tipi di sensori e meccanismi saranno presenti nel sistema automatizzato, conti il numero di moduli di ingresso/uscita necessari per i diversi tipi di segnali e li colleghi in un'unica linea comune con il controller . In questo caso, di norma, ogni produttore utilizza il suo protocollo di scambio preferito tra i moduli I/O e il controller e le opzioni possono essere molte.
Nel caso dei sistemi distribuiti, tutto ciò che viene detto in relazione ai sistemi localizzati è vero, inoltre è importante che i singoli componenti, ad esempio un insieme di moduli di input-output più un dispositivo per la raccolta e la trasmissione delle informazioni - un non Un microcontrollore molto intelligente che si trova da qualche parte in una cabina sul campo, accanto alla valvola che chiude l'olio, potrebbe interagire con gli stessi nodi e con il controller principale a grande distanza con un tasso di cambio efficace.
In che modo gli sviluppatori scelgono un protocollo per il loro progetto? Tutti i moderni protocolli di scambio forniscono prestazioni abbastanza elevate, quindi la scelta dell'uno o dell'altro produttore spesso non è determinata dal tasso di cambio su questo autobus molto industriale. L'implementazione del protocollo in sé non è così importante perché, dal punto di vista dello sviluppatore del sistema, si tratterà comunque di una scatola nera che fornisce una determinata struttura di scambio interno e non è progettata per interferenze esterne. Molto spesso, l'attenzione viene prestata alle caratteristiche pratiche: le prestazioni del computer, la facilità di applicare il concetto del produttore al compito da svolgere, la disponibilità dei tipi richiesti di moduli I/O, la possibilità di sostituire a caldo i moduli senza romperli l'autobus, ecc.
I più diffusi fornitori di apparecchiature offrono le proprie implementazioni di protocolli industriali: ad esempio, la nota azienda Siemens sta sviluppando la sua serie di protocolli Profinet e Profibus, B&R sta sviluppando il protocollo Powerlink, Rockwell Automation sta sviluppando il protocollo EtherNet/IP. Una soluzione domestica in questo elenco di esempi: una versione del protocollo FBUS dell'azienda russa Fastwel.
Esistono anche soluzioni più universali che non sono legate a un produttore specifico, come EtherCAT e CAN. Analizzeremo questi protocolli in dettaglio nel seguito dell'articolo e scopriremo quali di essi sono più adatti per applicazioni specifiche: industria automobilistica e aerospaziale, produzione elettronica, sistemi di posizionamento e robotica. Rimani in contatto!
Fonte: habr.com