産業オートメーションにおけるバスとプロトコル: すべての仕組み

きっと皆さんの多くは、原子力発電所や多くの生産ラインを備えた工場など、大規模な自動化されたオブジェクトがどのように制御されているかを知っている、あるいは見たことがあるでしょう。主な動作は多くの場合、スクリーンや電球がたくさんある大きな部屋で行われます。そしてリモコン。 この制御複合体は通常、生産設備を監視するためのメイン制御パネルであるメイン制御室と呼ばれます。

ハードウェアとソフトウェアの点ですべてがどのように機能するのか、これらのシステムが従来のパーソナル コンピュータとどのように異なるのか、疑問に思われたことでしょう。 この記事では、さまざまなデータがどのようにしてメイン制御室に届くのか、コマンドがどのように機器に送信されるのか、そしてコンプレッサーステーション、プロパン生産プラント、自動車組立ライン、さらには制御装置を制御するために一般的に何が必要なのかを見ていきます。下水ポンプ場。

最下位レベルまたはフィールドバスがすべての始まりです

この一連の単語は、初心者にはわかりにくいですが、マイクロコントローラーと下位機器 (I/O モジュールや測定デバイスなど) の間の通信手段を説明する必要がある場合に使用されます。 通常、この通信チャネルは「フィールド」からのデータをコントローラに送信する役割を担うため、「フィールド バス」と呼ばれます。

「フィールド」とは、コントローラーが対話する一部の機器 (センサーやアクチュエーターなど) が、路上、野原、夜陰など、遠く離れた場所にあるという事実を指す、奥深い専門用語です。 。 また、センサーがコントローラーから XNUMX メートル離れたところに設置されていて、たとえばオートメーション キャビネット内の温度を測定できるとしても、それは依然として「現場にある」ものとみなされます。 ほとんどの場合、I/O モジュールに到着するセンサーからの信号は、依然として数十から数百メートル (場合によってはそれ以上) の距離を伝送し、リモート サイトまたは機器から情報を収集します。 実際、コントローラーが同じセンサーから値を受け取る交換バスが通常フィールド バスと呼ばれたり、それほど一般的ではありませんが、下位レベルのバスや産業用バスと呼ばれたりするのはこのためです。

産業施設の自動化の一般的なスキーム

したがって、センサーからの電気信号は、複数のセンサーが接続されているケーブル ライン (通常は、特定の数のコアを持つ通常の銅線ケーブル) に沿って一定の距離を伝わります。 次に、信号は処理モジュール (入出力モジュール) に入り、そこでコントローラーが理解できるデジタル言語に変換されます。 次に、この信号はフィールドバスを介してコントローラに直接送られ、そこで最終的に処理されます。 このような信号をもとに、マイコン自体の動作ロジックが構築されます。

トップレベル: ガーランドからワークステーション全体まで

上位レベルは、技術プロセスを制御する通常の人間のオペレーターが触れることができるすべてのものと呼ばれます。 最も単純なケースでは、最上位レベルはライトとボタンのセットです。 電球はシステム内で発生する特定のイベントについてオペレーターに信号を送り、ボタンはコントローラーにコマンドを発行するために使用されます。 このシステムは、外観が非常に似ているため、「ガーランド」または「クリスマス ツリー」と呼ばれることがあります (記事の冒頭の写真からわかるように)。

オペレータがより幸運であれば、最上位としてオペレータ パネルを取得します。オペレータ パネルは、何らかの方法でコントローラから表示用のデータを受け取り、それを画面上に表示する一種のフラット パネル コンピュータです。 このようなパネルは通常、オートメーションキャビネット自体に取り付けられているため、通常は立ったままパネルを操作する必要があり、これが不便を引き起こします。さらに、小型パネルの画像の品質とサイズには、まだ十分な点がありません。

そして最後に、前例のない寛大な魅力、それは通常のパーソナルコンピュータであるワークステーション（またはいくつかの複製）です。

上位レベルの機器は、何らかの方法でマイクロコントローラーと対話する必要があります (そうでない場合、なぜそれが必要なのでしょうか?)。 このような対話には、上位レベルのプロトコルと特定の伝送媒体 (イーサネットや UART など) が使用されます。 「クリスマスツリー」の場合、もちろんそのような洗練は必要ありません; 電球は通常の物理的なラインを使用して点灯し、そこには洗練されたインターフェイスやプロトコルはありません。

一般に、この上位レベルはフィールド バスほど興味深いものではありません。これは、この上位レベルがまったく存在しない可能性があるためです (一連の操作からオペレータが注目すべきものは何もありません。コントローラー自体が、何をどのように実行する必要があるかを判断します) ）。

「古代」のデータ転送プロトコル: Modbus と HART

知っている人はほとんどいませんが、世界創造の1979日目に、神は休まずにModbusを創造しました。 Modbus は、HART プロトコルと並んでおそらく最も古い産業用データ転送プロトコルであり、XNUMX 年に登場しました。

シリアル インターフェイスは当初伝送媒体として使用され、その後 TCP/IP 上で Modbus が実装されました。 これは、要求と応答の原理を使用する同期マスター/スレーブ (マスター/スレーブ) プロトコルです。 このプロトコルは非常に複雑で遅く、交換速度は受信機と送信機の特性によって異なりますが、通常、特にシリアル インターフェイス経由で実装されている場合、カウントはほぼ数百ミリ秒になります。

さらに、Modbus データ転送レジスタは 16 ビットであるため、real 型および double 型の転送に即座に制限が課されます。 それらは部分的に、または精度を失って送信されます。 Modbus は、高い通信速度が必要なく、送信されたデータの損失が重大ではない場合に依然として広く使用されています。 さまざまなデバイスの多くのメーカーは、独自の非常に独創的な方法で Modbus プロトコルを拡張し、非標準機能を追加することを好みます。 したがって、このプロトコルには多くの突然変異や標準からの逸脱がありますが、現代世界でも問題なく生きています。
HART プロトコルも 4 年代から存在しており、20 ～ XNUMX mA センサーと他の HART 対応デバイスを直接接続する XNUMX 線式電流ループ ラインを介した産業用通信プロトコルです。

HART 回線を切り替えるには、HART モデムと呼ばれる特別なデバイスが使用されます。 たとえば、出力で Modbus プロトコルをユーザーに提供するコンバータもあります。

HART は、4 ～ 20 mA センサーのアナログ信号に加えて、プロトコル自体のデジタル信号も回路内で送信されるという事実でおそらく注目に値します。これにより、デジタル部分とアナログ部分を XNUMX 本のケーブル ラインで接続できます。 最新の HART モデムは、コントローラの USB ポートに接続したり、Bluetooth 経由で接続したり、シリアル ポート経由で昔ながらの方法で接続したりできます。 十数年前、Wi-Fi と同様に、ISM 範囲で動作する WirelessHART 無線規格が登場しました。

第 XNUMX 世代のプロトコル、または完全に産業用バスではない ISA、PCI(e)、および VME

Modbus プロトコルと HART プロトコルは、ISA (MicroPC、PC/104) や PCI/PCIe (CompactPCI、CompactPCI Serial、StacPC) や VME など、あまり産業用バスとは言えないものに置き換えられています。

コンピュータが自由に使えるユニバーサル データ バスを備え、さまざまなボード (モジュール) を接続して特定の統一信号を処理できる時代が到来しました。 原則として、この場合、プロセッサモジュール（コンピュータ）はいわゆるフレームに挿入され、バスを介して他のデバイスとの対話が保証されます。 フレーム、または真のオートメーションの専門家が好んで呼ぶ「クレート」には、必要な入出力ボード (アナログ、ディスクリート、インターフェースなど) が追加されます。あるいは、これらすべてがサンドイッチの形で組み合わされます。フレーム - XNUMX つのボードをもう XNUMX つのボードの上に重ねたもの。 その後、バス上のこの種類 (ISA、PCI など) はプロセッサ モジュールとデータを交換し、プロセッサ モジュールはセンサーから情報を受け取り、いくつかのロジックを実装します。

PCI バス上の PXI フレーム内のコントローラと I/O モジュール。 ソース： ナショナルインスツルメンツ株式会社

これらの ISA、PCI(e)、および VME バスがあれば、特にそのような時代には、すべてがうまくいきます。交換速度は期待を裏切るものではなく、システム コンポーネントは単一のフレーム内に配置されており、コンパクトで便利です。ホットスワップできない可能性もあります。 I/O カードですが、まだあまり使いたくないのです。

しかし、軟膏の中にハエがXNUMX匹ではなく入っています。 このような構成で分散システムを構築するのは非常に難しく、交換バスはローカルであり、他のスレーブまたはピアノード、同じ Modbus over TCP/IP またはその他のプロトコルとデータを交換するための手段を考案する必要があります。全体的に、利便性が十分ではありません。 そうですね、XNUMX 番目のあまり快適ではない点です。通常、I/O ボードは入力としてある種の統一信号を期待しており、フィールド機器からのガルバニック絶縁を備えていないため、さまざまな変換モジュールや中間回路からフェンスを作成する必要があります。これにより、要素のベースが非常に複雑になります。

ガルバニック絶縁を備えた中間信号変換モジュール。 ソース： データフォース株式会社

「産業用バスプロトコルについてはどうですか?」 - あなたが尋ねる。 何もない。 この実装には存在しません。 信号はケーブル線を通ってセンサーから信号コンバーターに伝わり、コンバーターはディスクリートまたはアナログ I/O ボードに電圧を供給します。ボードからのデータは、OS を使用して I/O ポートを介してすでに読み取られています。 特殊なプロトコルもありません。

最新の産業用バスとプロトコルの仕組み

今は何ですか？ 現在に至るまで、自動化システムの構築に関する古典的なイデオロギーは少し変化しています。 自動化も便利であるべきという事実から始まり、ノードが互いに離れた分散型自動化システムへの傾向に至るまで、多くの要因が影響を及ぼしました。

おそらく、今日のビルディングオートメーションシステムには、ローカル化された自動化システムと分散化された自動化システムという XNUMX つの主要な概念があると言えるでしょう。

データの収集と制御が特定の XNUMX つの場所に集中しているローカル システムの場合、独自の交換プロトコルを持つコントローラーを含む、共通の高速バスで相互接続された入出力モジュールの特定のセットの概念が必要となります。 この場合、原則として、I/O モジュールには信号コンバータとガルバニック絶縁の両方が含まれます (もちろん、常にそうとは限りません)。 つまり、エンドユーザーは、自動化システムにどのような種類のセンサーとメカニズムが存在するかを理解し、さまざまな種類の信号に必要な入出力モジュールの数を数え、それらをコントローラーとの XNUMX つの共通ラインに接続するだけで十分です。 。 この場合、原則として、各メーカーは I/O モジュールとコントローラーの間で好みの交換プロトコルを使用しており、ここには多くのオプションが存在する可能性があります。

分散システムの場合、ローカライズされたシステムに関して述べられているすべてが当てはまります。さらに、個々のコンポーネント (たとえば、入出力モジュールのセットと情報を収集および送信するためのデバイス) が重要ではありません。現場のブースのどこか、オイルを遮断するバルブの隣に設置されている非常にスマートなマイクロコントローラーは、同じノードと、および有効交換レートで遠く離れたメインコントローラーと通信できます。

開発者はプロジェクトのプロトコルをどのように選択するのでしょうか? 最新の交換プロトコルはすべてかなり高いパフォーマンスを提供するため、多くの場合、この産業用バスの交換レートによってメーカーの選択が決まるわけではありません。 プロトコル自体の実装はそれほど重要ではありません。システム開発者の観点からすると、プロトコルは依然として特定の内部交換構造を提供するブラック ボックスであり、外部干渉を考慮して設計されていないからです。 ほとんどの場合、実用的な特性に注意が払われます。コンピュータのパフォーマンス、製造元のコンセプトを当面のタスクに適用する容易さ、必要なタイプの I/O モジュールの可用性、壊れることなくホットスワップ可能なモジュールの機能などです。バスなど

人気のある機器サプライヤーは、独自の産業用プロトコルの実装を提供しています。たとえば、有名な企業である Siemens は一連の Profinet および Profibus プロトコルを開発しており、B&R は Powerlink プロトコルを開発し、Rockwell Automation は EtherNet/IP プロトコルを開発しています。 この例リストの国内ソリューション: ロシアの会社 Fastwel の FBUS プロトコルのバージョン。

EtherCAT や CAN など、特定のメーカーに依存しない、より汎用的なソリューションもあります。 この記事の続きでは、これらのプロトコルを詳細に分析し、自動車産業、航空宇宙産業、電子機器製造、測位システム、ロボット工学などの特定のアプリケーションにどれがより適しているかを判断します。 連絡を取り合いましょう！

出所： habr.com