אוטובוסים ופרוטוקולים באוטומציה תעשייתית: איך הכל עובד

בוודאי רבים מכם יודעים או אפילו ראו כיצד נשלטים חפצים אוטומטיים גדולים, למשל, תחנת כוח גרעינית או מפעל עם קווי ייצור רבים: הפעולה העיקרית מתרחשת לעתים קרובות בחדר גדול, עם חבורה של מסכים, נורות. ושלטים רחוקים. מתחם בקרה זה מכונה בדרך כלל חדר הבקרה הראשי - לוח הבקרה הראשי לניטור מתקן הייצור.

בוודאי תהיתם איך כל זה עובד מבחינת חומרה ותוכנה, במה המערכות הללו שונות ממחשבים אישיים רגילים. במאמר זה, נבחן כיצד נתונים שונים מגיעים לחדר הבקרה הראשי, כיצד נשלחות פקודות לציוד, ומה נדרש בדרך כלל לשליטה בתחנת מדחס, מפעל לייצור פרופאן, פס ייצור של מכוניות, או אפילו מפעל שאיבת ביוב.

הרמה הנמוכה ביותר או אוטובוס השדה הוא המקום שבו הכל מתחיל

קבוצת מילים זו, שאינה ברורה למי שלא מתחיל, משמשת כאשר יש צורך לתאר את אמצעי התקשורת בין מיקרו-בקרים וציוד כפוף, למשל, מודולי I/O או התקני מדידה. בדרך כלל ערוץ תקשורת זה נקרא "אוטובוס השדה" מכיוון שהוא אחראי על העברת נתונים המגיעים מה"שדה" לבקר.

"שדה" הוא מונח מקצועי עמוק המתייחס לעובדה שציוד כלשהו (למשל חיישנים או מפעילים) שעימו הבקר מתקשר נמצא איפשהו רחוק, רחוק, ברחוב, בשדות, בחסות הלילה . וזה לא משנה שהחיישן יכול להיות ממוקם במרחק של חצי מטר מהבקר ולמדוד, למשל, את הטמפרטורה בארון אוטומציה, זה עדיין נחשב שהוא "בשטח". לרוב, אותות מחיישנים המגיעים למודולי I/O עדיין עוברים מרחקים בין עשרות למאות מטרים (ולפעמים יותר), ואוספים מידע מאתרים או ציוד מרוחקים. למעשה, זו הסיבה שאפיק החליפין, שדרכו הבקר מקבל ערכים מאותם חיישנים, נקרא בדרך כלל אפיק שדה או, פחות נפוץ, אפיק ברמה נמוכה יותר או אפיק תעשייתי.

תכנית כללית של אוטומציה של מתקן תעשייתי

אז, האות החשמלי מהחיישן עובר מרחק מסוים לאורך קווי כבלים (בדרך כלל לאורך כבל נחושת רגיל עם מספר מסוים של ליבות), שאליו מחוברים מספר חיישנים. לאחר מכן האות נכנס למודול העיבוד (מודול קלט/פלט), שם הוא מומר לשפה דיגיטלית המובנת לבקר. לאחר מכן, האות הזה דרך אפיק השדה עובר ישירות לבקר, שם הוא מעובד לבסוף. בהתבסס על אותות כאלה, נבנה לוגיקת הפעולה של המיקרו-בקר עצמו.

רמה עליונה: מזר ועד תחנת עבודה שלמה

הרמה העליונה נקראת כל מה שניתן לגעת בו על ידי מפעיל בן תמותה רגיל השולט בתהליך הטכנולוגי. במקרה הפשוט ביותר, הרמה העליונה היא סט של אורות וכפתורים. נורות מאותתות למפעיל על אירועים מסוימים המתרחשים במערכת, כפתורים משמשים להוצאת פקודות לבקר. מערכת זו נקראת לעתים קרובות "זר" או "עץ חג המולד" מכיוון שהיא נראית דומה מאוד (כפי שניתן לראות מהתמונה בתחילת המאמר).

אם למפעיל יש יותר מזל, אז בתור הרמה העליונה הוא יקבל פאנל מפעיל - מעין מחשב שטוח שמקבל בצורה כזו או אחרת נתונים לתצוגה מהבקר ומציג אותם על המסך. פאנל כזה מותקן בדרך כלל על ארון האוטומציה עצמו, כך שבדרך כלל צריך לקיים איתו אינטראקציה בעמידה, מה שגורם לאי נוחות, ובנוסף איכות וגודל התמונה על לוחות בפורמט קטן משאירים הרבה מה לרצוי.

ולבסוף, אטרקציה של נדיבות חסרת תקדים - תחנת עבודה (או אפילו כמה כפילויות), שהיא מחשב אישי רגיל.

ציוד ברמה העליונה חייב לקיים אינטראקציה כלשהי עם המיקרו-בקר (אחרת למה הוא נחוץ?). עבור אינטראקציה כזו, משתמשים בפרוטוקולים ברמה העליונה ובאמצעי שידור מסוים, למשל, Ethernet או UART. במקרה של "עץ חג המולד", תחכומים כאלה, כמובן, אינם נחוצים, הנורות נדלקות בקווים פיזיים רגילים, אין שם ממשקים או פרוטוקולים מתוחכמים.

באופן כללי, הרמה העליונה הזו פחות מעניינת מאפיק השדה, שכן ייתכן שהרמה העליונה הזו לא קיימת בכלל (אין מה למפעיל להסתכל עליו מהסדרה; הבקר עצמו יבין מה צריך לעשות ואיך ).

פרוטוקולי העברת נתונים "עתיקים": Modbus ו-HART

מעטים יודעים, אבל ביום השביעי לבריאת העולם, אלוהים לא נח, אלא ברא את מודבוס. יחד עם פרוטוקול HART, Modbus הוא אולי פרוטוקול העברת הנתונים התעשייתי הוותיק ביותר; הוא הופיע עוד ב-1979.

הממשק הטורי שימש בתחילה כאמצעי שידור, ולאחר מכן יושם Modbus על TCP/IP. זהו פרוטוקול מאסטר-עבד סינכרוני (מאסטר-עבד) המשתמש בעקרון תגובה-בקשה. הפרוטוקול די מסורבל ואיטי, מהירות ההחלפה תלויה במאפייני המקלט והמשדר, אך לרוב הספירה היא כמעט מאות אלפיות שניות, במיוחד כאשר היא מיושמת באמצעות ממשק טורי.

יתרה מכך, אוגר העברת הנתונים של Modbus הוא 16 סיביות, מה שמטיל מיד הגבלות על העברת סוגים אמיתיים וכפולים. הם מועברים בחלקים או עם אובדן דיוק. אמנם Modbus עדיין נמצא בשימוש נרחב במקרים בהם אין צורך במהירויות תקשורת גבוהות ואובדן הנתונים המועברים אינו קריטי. יצרנים רבים של מכשירים שונים אוהבים להרחיב את פרוטוקול Modbus בדרכם הבלעדית והמקורית מאוד, תוך הוספת פונקציות לא סטנדרטיות. לכן, לפרוטוקול זה יש הרבה מוטציות וחריגות מהנורמה, אבל עדיין חי בהצלחה בעולם המודרני.
פרוטוקול HART קיים גם מאז שנות השמונים, זהו פרוטוקול תקשורת תעשייתי על קו לולאת זרם דו-חוטי המחבר ישירות חיישני 4-20 mA והתקנים אחרים התומכים ב-HART.

כדי להחליף קווי HART, נעשה שימוש במכשירים מיוחדים, מה שנקרא מודמים HART. ישנם גם ממירים המספקים למשתמש, למשל, פרוטוקול Modbus במוצא.

HART אולי בולט בעובדה שבנוסף לאותות האנלוגיים של חיישני 4-20 mA, האות הדיגיטלי של הפרוטוקול עצמו מועבר גם במעגל, זה מאפשר לחבר את החלקים הדיגיטליים והאנלוגיים בקו כבל אחד. מודמי HART מודרניים יכולים להיות מחוברים ליציאת ה-USB של הבקר, מחוברים באמצעות Bluetooth, או בדרך הישנה דרך יציאה טורית. לפני תריסר שנים, באנלוגיה ל-Wi-Fi, הופיע התקן האלחוטי WirelessHART, הפועל בטווח ה-ISM.

דור שני של פרוטוקולים או אוטובוסים תעשייתיים לא ממש ISA, PCI(e) ו-VME

פרוטוקולי Modbus ו-HART הוחלפו באוטובוסים לא ממש תעשייתיים, כגון ISA (MicroPC, PC/104) או PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), כמו גם VME.

הגיע עידן המחשבים העומדים לרשותם אפיק נתונים אוניברסלי, שבו ניתן לחבר לוחות (מודולים) שונים כדי לעבד אות מאוחד מסוים. ככלל, במקרה זה, מודול המעבד (המחשב) מוכנס לתוך מה שנקרא מסגרת, מה שמבטיח אינטראקציה דרך האוטובוס עם מכשירים אחרים. למסגרת, או כפי שמומחי אוטומציה אמיתיים אוהבים לקרוא לזה, "ארגז", משלימים לוחות קלט-פלט הדרושים: אנלוגי, דיסקרטי, ממשק וכו', או שכל זה מורכב בצורה של כריך ללא מסגרת - לוח אחד על השני. לאחר מכן, מגוון זה באפיק (ISA, PCI וכו') מחליף נתונים עם מודול המעבד, אשר כך מקבל מידע מהחיישנים ומיישם לוגיקה מסוימת.

בקר ומודולי קלט/פלט במסגרת PXI על אפיק PCI. מָקוֹר: חברת מכשירים לאומית

הכל יהיה בסדר עם האוטובוסים האלה של ISA, PCI(e) ו-VME, במיוחד לאותם זמנים: מהירות ההחלפה לא מאכזבת, ורכיבי המערכת ממוקמים בתוך מסגרת אחת, קומפקטית ונוחה, ייתכן שאין אפשרות להחלפה חמה כרטיסי קלט/פלט, אבל אני לא ממש רוצה עדיין.

אבל יש זבוב במשחה, ויותר מאחד. זה די קשה לבנות מערכת מבוזרת בתצורה כזו, אוטובוס החליפין הוא מקומי, אתה צריך למצוא משהו כדי להחליף נתונים עם צמתים אחרים של עבדים או עמיתים, אותו Modbus דרך TCP/IP או פרוטוקול אחר, ב באופן כללי, אין מספיק נוחות. ובכן, הדבר השני הלא מאוד נעים: לוחות קלט/פלט בדרך כלל מצפים לסוג של אות מאוחד כקלט, ואין להם בידוד גלווני מציוד שטח, אז אתה צריך ליצור גדר ממודולי המרה שונים ומעגלי ביניים, מה שמסבך מאוד את בסיס האלמנטים.

מודולי המרת אותות ביניים עם בידוד גלווני. מָקוֹר: DataForth Corporation

"מה לגבי פרוטוקול האוטובוסים התעשייתיים?" - אתה שואל. שום דבר. זה לא קיים ביישום הזה. באמצעות קווי כבלים, האות עובר מחיישנים לממירי אותות, הממירים מספקים מתח ללוח I/O בדיד או אנלוגי, והנתונים מהלוח כבר נקראים דרך יציאות ה-I/O באמצעות מערכת ההפעלה. ואין פרוטוקולים מיוחדים.

כיצד פועלים אוטובוסים ופרוטוקולים תעשייתיים מודרניים

מה עכשיו? עד היום, האידיאולוגיה הקלאסית של בניית מערכות אוטומטיות השתנתה מעט. גורמים רבים מילאו תפקיד, החל מהעובדה שגם אוטומציה צריכה להיות נוחה וכלה במגמה של מערכות אוטומטיות מבוזרות עם צמתים מרוחקים זה מזה.

אולי אפשר לומר שיש שני מושגים עיקריים לבניית מערכות אוטומציה כיום: מערכות אוטומטיות מקומיות ומפוזרות.

במקרה של מערכות מקומיות, שבהן איסוף ובקרה של נתונים מרוכזים במיקום ספציפי אחד, הרעיון של קבוצה מסוימת של מודולי קלט/פלט המחוברים ביניהם באמצעות אפיק מהיר משותף, כולל בקר עם פרוטוקול החלפה משלו, מבוקש. במקרה זה, ככלל, מודולי I/O כוללים גם ממיר אותות וגם בידוד גלווני (אם כי, כמובן, לא תמיד). כלומר, מספיק למשתמש הקצה להבין אילו סוגי חיישנים ומנגנונים יהיו קיימים במערכת האוטומטית, לספור את מספר מודולי הקלט/פלט הנדרשים לסוגי אותות שונים ולחבר אותם לקו משותף אחד עם הבקר. . במקרה זה, ככלל, כל יצרן משתמש בפרוטוקול ההחלפה המועדף עליו בין מודולי I/O לבין הבקר, ויכולות להיות כאן הרבה אפשרויות.

במקרה של מערכות מבוזרות, כל מה שנאמר ביחס למערכות מקומיות נכון, בנוסף, חשוב שרכיבים בודדים, למשל, סט של מודולי קלט-פלט בתוספת מכשיר לאיסוף והעברת מידע - א. מיקרו-בקר חכם מאוד שעומד אי שם בתא בשדה, ליד השסתום שמסגר את השמן - יכול לקיים אינטראקציה עם אותם צמתים ועם הבקר הראשי במרחק גדול עם שער חליפין אפקטיבי.

איך מפתחים בוחרים פרוטוקול לפרויקט שלהם? כל פרוטוקולי החליפין המודרניים מספקים ביצועים גבוהים למדי, כך שהבחירה של יצרן זה או אחר לרוב אינה נקבעת על פי שער החליפין באוטובוס התעשייתי הזה. יישום הפרוטוקול עצמו אינו כה חשוב, מכיוון שמנקודת מבטו של מפתח המערכת, זו עדיין תהיה קופסה שחורה המספקת מבנה חליפין פנימי מסוים ואינה מיועדת להפרעות מבחוץ. לרוב, תשומת הלב מוקדשת למאפיינים מעשיים: ביצועי המחשב, קלות יישום תפיסת היצרן במשימה העומדת על הפרק, הזמינות של סוגי מודולי I/O הנדרשים, היכולת לבצע מודולים הניתנים להחלפה חמה מבלי להישבר. האוטובוס וכו'.

ספקי ציוד פופולריים מציעים הטמעות משלהם של פרוטוקולים תעשייתיים: למשל, החברה הידועה סימנס מפתחת את סדרת הפרוטוקולים של Profinet ו-Profibus, B&R מפתחת את פרוטוקול Powerlink, Rockwell Automation מפתחת את פרוטוקול EtherNet/IP. פתרון מקומי ברשימת דוגמאות זו: גרסה של פרוטוקול FBUS של חברת Fastwel הרוסית.

יש גם פתרונות אוניברסליים יותר שאינם קשורים ליצרן ספציפי, כמו EtherCAT ו-CAN. ננתח את הפרוטוקולים הללו בפירוט בהמשך המאמר ונבין אילו מהם מתאימים יותר ליישומים ספציפיים: תעשיות רכב וחלל, ייצור אלקטרוניקה, מערכות מיקום ורובוטיקה. תישאר בקשר!

מקור: www.habr.com