Sicuramente molti di voi conoscono o hanno visto come vengono gestiti grandi oggetti automatizzati, come una centrale nucleare o una fabbrica con molte linee tecnologiche: l'azione principale avviene spesso in una grande stanza, piena di schermi, luci e pannelli di controllo. Questo complesso di controllo viene comunemente chiamato GShU — il quadro di controllo principale per la supervisione dell'oggetto produttivo.
Sicuramente vi è stata curiosità su come funziona tutto ciò dal punto di vista dell'hardware e del software, e in cosa queste sistemi differiscono dai normali computer personali. In questo articolo esploreremo come i vari dati arrivano al GShU, come vengono inviate le comande all'equipaggiamento e ciò che è necessario per gestire una stazione di compressione, un impianto di produzione di propano, una linea di assemblaggio di automobili o persino un impianto di pompaggio fognario.
Il livello inferiore o il bus di campo — è da qui che tutto ha inizio.
Questo insieme di termini poco chiari per i non addetti ai lavori viene utilizzato quando è necessario descrivere i mezzi di comunicazione dei microcontrollori con l'hardware collegato, come i moduli di input/output o i dispositivi di misurazione. Questo canale di comunicazione è solitamente chiamato "bus di campo" perché è responsabile della trasmissione al controller dei dati che provengono dal "campo".
«Campo» è un termine professionale profondo che indica il fatto che alcune apparecchiature (come sensori o attuatori) con cui interagisce un controllore si trovano lontano, all'aperto, nei campi, sotto il velo della notte. E non importa che il sensore possa essere situato a mezzo metro dal controllore e misurare, ad esempio, la temperatura in un armadio elettrico; è comunque considerato "in campo". La maggior parte delle volte, i segnali dai sensori, che arrivano nei moduli di input/output, percorrono distanze che variano da decine a centinaia di metri (e a volte anche di più), raccogliendo informazioni da siti o attrezzature remote. Proprio per questo motivo, il bus di scambio, attraverso il quale il controllore riceve i valori da questi sensori, è comunemente chiamato bus di campo o, più raramente, bus di livello inferiore o bus industriale.
Schema generale di automazione di un impianto industriale
Il segnale elettrico proveniente dal sensore percorre una certa distanza attraverso i cavi (solitamente un normale cavo di rame con un certo numero di fili), a cui sono collegati diversi sensori. Successivamente, il segnale entra nel modulo di elaborazione (modulo di input/output), dove viene convertito in un linguaggio digitale comprensibile dal controller. Da qui, il segnale si trova sulla bussola di campo e raggiunge direttamente il controller, dove viene infine elaborato. La logica di funzionamento del microcontrollore è basata su tale segnale.
Livello superiore: da una semplice stringa a una stazione di lavoro completa
Il livello superiore comprende tutto ciò con cui può interagire un operatore umano che gestisce il processo tecnologico. Nella sua forma più semplice, il livello superiore è costituito da un insieme di luci e pulsanti. Le luci avvisano l'operatore riguardo a eventi che si verificano nel sistema, mentre i pulsanti servono per inviare comandi al controller. Questo sistema è spesso definito "ghirlanda" o "albero di Natale" perché appare molto simile (come si può vedere nella foto all'inizio dell'articolo).
Se l'operatore ha maggiore fortuna, riceverà come livello superiore un pannello operatore, un certo tipo di computer a pannello piatto che riceve in un modo o nell'altro i dati per il display dal controller e li visualizza sullo schermo. Questo tipo di pannello è solitamente montato sull'armadio di automazione, quindi si interagisce con esso, di norma, stando in piedi, il che crea disagi; inoltre, la qualità e le dimensioni dell'immagine sui pannelli di piccole dimensioni lasciano a desiderare.
E, infine, il vero colpo di scena — una workstation (o anche più di una duplicata), che è un normale computer personale.
L'hardware di livello superiore deve interagire in qualche modo con il microcontrollore (altrimenti, a che serve?). Per tale interazione si utilizzano protocolli di alto livello e un certo tipo di mezzo di trasmissione, come Ethernet o UART. Nel caso di un 'albero', non sono richieste tali sofisticazioni; le lampadine si accendono utilizzando normali linee fisiche, senza interfacce e protocolli complicati.
In generale, questo livello superiore è meno interessante rispetto al bus di campo, poiché questo livello superiore potrebbe non esistere affatto (dalla serie non c'è nulla da vedere per l'operatore, il controller si occupa di capire cosa e come fare).
Protocollo di trasmissione dati "antichi": 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, essendo apparso nel 1979.
Inizialmente, veniva utilizzata una connessione seriale come mezzo di trasmissione, poi Modbus è stato implementato sopra TCP/IP. Si tratta di un protocollo sincrono basato su uno schema "master-slave" (principale-sottoposto), che utilizza il principio della "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 un intervallo che può arrivare a centinaia di millisecondi, specialmente nell'implementazione tramite connessione seriale.
Inoltre, il registro di trasmissione dei dati Modbus è a 16 bit, il che impone immediatamente limiti alla trasmissione dei tipi real e double. Questi vengono trasmessi o a pezzi o con perdita di precisione. Sebbene Modbus sia ancora ampiamente utilizzato in contesti in cui non è necessaria un'alta velocità di scambio e la perdita di dati trasmessi non è critica. Molti produttori di vari dispositivi amano ampliare il protocollo Modbus in modo esclusivo e molto originale, aggiungendo funzioni non standard. Pertanto, questo protocollo ha molte mutazioni e deviazioni dalla norma, ma continua a prosperare nel mondo moderno.
Il protocollo HART esiste fin dagli anni Ottanta ed è un protocollo industriale di scambio su una linea a due fili della corrente, alla quale sono collegati direttamente sensori 4-20 mA e altri dispositivi che supportano il protocollo HART.
Per la commutazione delle linee HART vengono utilizzati dispositivi speciali, i cosiddetti modem HART. Esistono anche convertitori che forniscono all'utente un'uscita già convertita, ad esempio, in protocollo Modbus.
HART è notevole, forse, perché oltre ai segnali analogici dei sensori da 4-20 mA, trasmette anche un segnale digitale del protocollo stesso, permettendo così di unire la parte digitale e quella analogica in un'unica linea di cavo. I moderni modem HART possono connettersi alla porta USB del controller, comunicare tramite Bluetooth, o attraverso una connessione seriale più tradizionale. Dieci anni fa, in parallelo con il Wi-Fi, è emerso anche lo standard wireless WirelessHART, che opera nella banda ISM.
La seconda generazione dei 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), oltre a VME.
È iniziata l'era dei calcolatori dotati di un bus di dati universale, a cui è possibile collegare vari moduli per l'elaborazione di un segnale unificato. In genere, in questo caso, il modulo del processore (calcolatore) viene inserito in un cosiddetto chassis, che assicura l'interazione tramite il bus con altri dispositivi. Lo chassis, o come lo chiamano i veri automatizzatori, "crate", è dotato dei necessari moduli di ingresso e uscita: analogici, discreti, interfacce, ecc., oppure tutto questo viene assemblato in un formato a sandwich senza chassis — un modulo sopra l'altro. Successivamente, 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 ingresso e uscita nello chassis PXI sul bus PCI. Fonte:
Tuttoandrebbe bene con questi bus ISA, PCI(e) e VME, soprattutto per quei tempi: né la velocità di trasferimento è deludente, né i componenti del sistema sono disposti in uno chassis unico, in modo compatto e conveniente; non ci può essere sostituzione a caldo delle schede di I/O, ma per ora non ne sentiamo nemmeno il bisogno.
Ma c'è un lato negativo, e non uno solo. Costruire un sistema distribuito in una tale configurazione è piuttosto complicato; il bus di comunicazione è locale e serve trovare delle soluzioni per scambiare dati con altri nodi subordinati o equivalenti, come Modbus su TCP/IP o qualche altro protocollo, insomma, ci sono poche comodità. E un'altra cosa poco piacevole: le schede di I/O solitamente aspettano un segnale standardizzato in ingresso, e non hanno isolamento galvanico con l'apparecchiatura di campo, quindi è necessario costruire un insieme di vari moduli di conversione e circuiti intermedi, il che complica notevolmente la base dei componenti.
Moduli di conversione del segnale con isolamento galvanico. Fonte:
«E per il protocollo di scambio sulla rete industriale?» — chiederete. E nulla. Non esiste in questa implementazione. Attraverso le linee cablate, il segnale viene trasmesso dai sensori ai convertitori di segnale, che forniscono tensione a una scheda di input/output discreta o analogica, e i dati dalla scheda vengono letti tramite porte di input/output, utilizzando i mezzi del sistema operativo. E nessun protocollo specializzato.
Come funzionano le moderne reti industriali e i protocolli
E adesso? Fino ad oggi, l'ideologia classica nella costruzione di sistemi automatizzati è cambiata un po'. Molti fattori hanno giocato un ruolo, a partire dal fatto che automatizzare deve essere anche comodo, fino alla tendenza verso sistemi automatizzati distribuiti con nodi distanti tra loro.
Si può dire che oggi ci sono due principali concetti per la costruzione di sistemi di automazione: sistemi automatizzati localizzati e distribuiti.
Nel caso di sistemi localizzati, dove la raccolta 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 tramite un bus veloce comune, inclusi i controllori con il proprio protocollo di comunicazione. In questo contesto, di solito i moduli di input-output includono sia il convertitore di segnale sia l'interfaccia galvanica (anche se, ovviamente, non sempre). In altre parole, il consumatore finale deve comprendere quali tipi di sensori e meccanismi saranno presenti nel sistema automatizzato, calcolare il numero necessario di moduli di input-output per diversi tipi di segnali e collegarli in un'unica linea con il controllore. In questo caso, di solito ogni produttore utilizza il proprio protocollo di comunicazione preferito tra i moduli di input-output e il controllore, e ci sono molte possibilità.
Nei sistemi distribuiti si applica tutto ciò che è stato detto riguardo ai sistemi localizzati, con l'aggiunta che i singoli componenti, come un insieme di moduli di input/output e un dispositivo per la raccolta e trasmissione delle informazioni — non un microcontrollore molto intelligente situato in una cabina in un campo vicino a una valvola che blocca il petrolio — devono essere in grado di interagire con nodi simili e con il controller principale a una grande distanza con una velocità di scambio efficace.
Come scelgono i protocolli i programmatori per i loro progetti? Tutti i protocolli di scambio moderni offrono prestazioni piuttosto elevate, quindi spesso la scelta di un determinato fornitore non dipende dalla velocità di scambio di questo particolare bus industriale. Anche l'implementazione del protocollo stesso non è così rilevante, perché, dal punto di vista dello sviluppatore del sistema, sarà comunque una black box che fornisce una certa struttura interna di scambio e non è progettata per l'intervento esterno. Spesso si prestano attenzione alle caratteristiche pratiche: le prestazioni del calcolatore, la comodità di applicare il concetto del fornitore al compito assegnato, la disponibilità dei tipi necessari di moduli di input/output, la possibilità di sostituire i moduli a caldo senza interrompere il bus, ecc.
Fornitori di attrezzature popolari offrono le proprie implementazioni dei protocolli industriali: ad esempio, la nota azienda Siemens sviluppa la propria serie di protocolli Profinet e Profibus, la B&R – il protocollo Powerlink, Rockwell Automation – il protocollo EtherNet/IP. Una soluzione nazionale in questo elenco di esempi è: la versione del protocollo FBUS della compagnia russa Fastwel.
Esistono anche soluzioni più versatili, non legate a un produttore specifico, come EtherCAT e CAN. Analizzeremo in dettaglio questi protocolli nel prosieguo dell'articolo e scopriremo quali sono più adatti a specifiche applicazioni: nei settori automobilistico e aerospaziale, nella produzione di elettronica, nei sistemi di posizionamento e nella robotica. Rimanete sintonizzati!
Fonte: habr.com
