Сіздердің көпшілігіңіз үлкен автоматтандырылған объектілердің, мысалы, атом электр станциясының немесе көптеген өндірістік желілері бар зауыттың қалай басқарылатынын білесіздер немесе тіпті көрдіңіздер: негізгі әрекет көбінесе экрандар, шамдар шоғыры бар үлкен бөлмеде өтеді. және қашықтан басқару құралдары. Бұл басқару кешенін әдетте негізгі диспетчерлік пункт – өндірістік объектіні бақылауға арналған негізгі басқару пульті деп атайды.
Сіз мұның бәрі аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз ету тұрғысынан қалай жұмыс істейтіні, бұл жүйелердің кәдімгі дербес компьютерлерден қалай ерекшеленетіні туралы қызықтыратынсыз. Бұл мақалада біз әртүрлі деректердің негізгі басқару бөлмесіне қалай түсетінін, жабдыққа командалар қалай жіберілетінін және компрессорлық станцияны, пропан шығаратын зауытты, автомобиль құрастыру желісін немесе тіпті басқару үшін не қажет екенін қарастырамыз. кәріздік сорғы қондырғысы.
Ең төменгі деңгей немесе өріс автобусы бәрі басталады
Білмейтіндерге түсініксіз сөздердің бұл жиыны микроконтроллерлер мен бағынышты жабдықтар арасындағы байланыс құралдарын, мысалы, енгізу-шығару модульдері немесе өлшеу құрылғыларын сипаттау қажет болғанда қолданылады. Әдетте бұл байланыс арнасы «өріс шинасы» деп аталады, себебі ол «өрістен» келетін деректерді контроллерге жіберуге жауапты.
«Дала» - бұл контроллер әрекеттесетін кейбір жабдықтың (мысалы, сенсорлар немесе жетектер) алыс жерде, алыс жерде, көшеде, өрістерде, түн жамылғысы астында орналасуын білдіретін терең кәсіби термин. . Сенсордың контроллерден жарты метр қашықтықта орналасуы және автоматтандыру шкафындағы температураны өлшейтіні маңызды емес, ол әлі де «далада» деп саналады. Көбінесе енгізу/шығару модульдеріне келетін сенсорлардың сигналдары қашықтағы сайттардан немесе жабдықтан ақпарат жинай отырып, ондаған метрден жүздеген метрге дейінгі (кейде одан да көп) қашықтықты жүріп өтеді. Шын мәнінде, сондықтан контроллер дәл осы сенсорлардан мәндерді алатын алмасу шинасы әдетте өріс шинасы немесе азырақ, төменгі деңгейлі автобус немесе өнеркәсіптік автобус деп аталады.
Өнеркәсіптік объектіні автоматтандырудың бас сұлбасы
Сонымен, сенсордан келетін электр сигналы кабельдік желілер бойынша белгілі бір қашықтықты (әдетте белгілі бір ядросы бар кәдімгі мыс кабель бойымен) жүреді, оған бірнеше сенсорлар қосылады. Содан кейін сигнал өңдеу модуліне (кіріс/шығыс модулі) түседі, онда ол контроллерге түсінікті цифрлық тілге түрлендіріледі. Әрі қарай, өріс шинасы арқылы бұл сигнал тікелей контроллерге түседі, онда ол ақырында өңделеді. Осындай сигналдардың негізінде микроконтроллердің өзінің жұмыс логикасы құрастырылады.
Жоғарғы деңгей: гирляндадан бүкіл жұмыс станциясына дейін
Жоғарғы деңгей технологиялық процесті басқаратын қарапайым өлім операторының қолына тиетін барлық нәрсе деп аталады. Ең қарапайым жағдайда, жоғарғы деңгей - шамдар мен түймелердің жиынтығы. Шамдар жүйеде болып жатқан белгілі бір оқиғалар туралы операторға сигнал береді, түймелер контроллерге командалар беру үшін қолданылады. Бұл жүйе жиі « гирляндия » немесе « шырша » деп аталады, себебі ол өте ұқсас көрінеді (мақаланың басындағы фотосуреттен көруге болады).
Егер оператор бақыттырақ болса, онда жоғарғы деңгей ретінде ол оператор панелін алады - бұл немесе басқа жолмен контроллерден көрсету үшін деректерді қабылдайтын және оны экранда көрсететін тегіс панельді компьютердің бір түрі. Мұндай панель әдетте автоматтандыру шкафының өзінде орнатылады, сондықтан әдетте онымен тұрғанда әрекеттесуге тура келеді, бұл қолайсыздықты тудырады, сонымен қатар шағын форматты панельдердегі кескіннің сапасы мен өлшемі көп нәрсені қаламайды.
Ақырында, бұрын-соңды болмаған жомарттық тартымдылығы - қарапайым дербес компьютер болып табылатын жұмыс станциясы (немесе тіпті бірнеше көшірме).
Жоғарғы деңгейдегі жабдық микроконтроллермен қандай да бір түрде өзара әрекеттесуі керек (әйтпесе ол не үшін қажет?). Мұндай өзара әрекеттесу үшін жоғары деңгейлі хаттамалар және белгілі бір тасымалдау ортасы пайдаланылады, мысалы, Ethernet немесе UART. «Рождестволық шырша» жағдайында мұндай күрделіліктер, әрине, қажет емес, шамдар қарапайым физикалық сызықтар арқылы жанып тұрады, онда күрделі интерфейстер немесе хаттамалар жоқ.
Жалпы, бұл жоғарғы деңгей далалық шинаға қарағанда қызық емес, өйткені бұл жоғарғы деңгей мүлдем болмауы мүмкін (сериядан операторға ештеңе қарауға болмайды; контроллердің өзі не істеу керектігін және қалай істеу керектігін анықтайды. ).
«Ежелгі» деректерді беру протоколдары: Modbus және HART
Аз адамдар біледі, бірақ дүние жаратылғанның жетінші күні Құдай тыным таппай, Модбусты жаратты. HART протоколымен қатар, Modbus деректерді берудің ең көне өнеркәсіптік протоколы болып табылады; ол 1979 жылы пайда болды.
Тізбекті интерфейс бастапқыда жіберу ортасы ретінде пайдаланылды, содан кейін Modbus TCP/IP арқылы жүзеге асырылды. Бұл сұрау-жауап принципін қолданатын синхронды басты-құл (мастер-құл) протоколы. Протокол өте қиын және баяу, алмасу жылдамдығы қабылдағыш пен таратқыштың сипаттамаларына байланысты, бірақ әдетте санау жүздеген миллисекундтарды құрайды, әсіресе сериялық интерфейс арқылы жүзеге асырылған кезде.
Сонымен қатар, Modbus деректерді беру регистрі 16 разрядты болып табылады, ол нақты және қосарлы түрлерді тасымалдауға бірден шектеулер қояды. Олар бөліктермен немесе дәлдік жоғалтумен беріледі. Modbus әлі де жоғары байланыс жылдамдығы қажет емес және жіберілген деректердің жоғалуы маңызды емес жағдайларда кеңінен қолданылады. Түрлі құрылғылардың көптеген өндірушілері стандартты емес функцияларды қоса отырып, Modbus протоколын өздерінің эксклюзивті және өте ерекше түрде кеңейтуді ұнатады. Сондықтан бұл хаттамада көптеген мутациялар мен нормадан ауытқулар бар, бірақ қазіргі әлемде әлі де сәтті өмір сүреді.
HART хаттамасы сексенінші жылдардан бері бар, бұл 4-20 мА сенсорларды және HART қолдайтын басқа құрылғыларды тікелей қосатын екі сымды ток контуры арқылы өнеркәсіптік байланыс протоколы.
HART желілерін ауыстыру үшін HART модемдері деп аталатын арнайы құрылғылар қолданылады. Сондай-ақ пайдаланушыға шығыста, айталық, Modbus протоколымен қамтамасыз ететін түрлендіргіштер бар.
HART 4-20 мА сенсорлардың аналогтық сигналдарынан басқа, хаттаманың цифрлық сигналының өзі де тізбекте берілетіндігімен ерекшеленеді, бұл сандық және аналогтық бөліктерді бір кабельдік желіде қосуға мүмкіндік береді. Қазіргі HART модемдерін контроллердің USB портына қосуға, Bluetooth арқылы қосуға немесе сериялық порт арқылы ескі үлгіде қосуға болады. Осыдан оншақты жыл бұрын, Wi-Fi-ға ұқсас, ISM диапазонында жұмыс істейтін WirelessHART сымсыз стандарты пайда болды.
Хаттамалардың екінші буыны немесе өнеркәсіптік емес автобустар ISA, PCI(e) және VME
Modbus және HART протоколдары ISA (MicroPC, PC/104) немесе PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), сондай-ақ VME сияқты өнеркәсіптік емес автобустармен ауыстырылды.
Белгілі бір бірыңғай сигналды өңдеу үшін әртүрлі платаларды (модульдерді) қосуға болатын әмбебап деректер шинасы бар компьютерлер дәуірі келді. Әдетте, бұл жағдайда процессор модулі (компьютер) басқа құрылғылармен автобус арқылы өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететін кадр деп аталатынға енгізіледі. Рамка, немесе, нағыз автоматтандыру мамандары оны «қорап» деп атағандай, қажетті кіріс-шығыс тақталарымен толықтырылған: аналогтық, дискретті, интерфейс және т.б. немесе мұның бәрі сэндвич түрінде біріктірілген. жақтау - бір тақта бірінің үстіне. Осыдан кейін шинадағы бұл әртүрлілік (ISA, PCI және т.б.) процессор модулімен деректермен алмасады, ол осылайша сенсорлардан ақпаратты алады және кейбір логиканы жүзеге асырады.
PCI шинасындағы PXI кадрындағы контроллер және енгізу/шығару модульдері. Дереккөз:
Бұл ISA, PCI(e) және VME шиналарымен бәрі жақсы болар еді, әсіресе сол уақытта: алмасу жылдамдығы көңіл көншітпейді, ал жүйе құрамдастары бір жақтауда орналасқан, ықшам және ыңғайлы, ыстық ауыстырып-қосқыш болмауы мүмкін. Енгізу/шығару карталары, бірақ мен әлі қаламаймын.
Бірақ жақпа шыбын бар, одан да көп. Мұндай конфигурацияда бөлінген жүйені құру өте қиын, алмасу шинасы жергілікті, басқа бағынышты немесе тең түйіндермен, TCP/IP арқылы бірдей Modbus немесе басқа хаттамалармен деректер алмасу үшін бірдеңе ойлап табу керек. жалпы, қолайлы жағдайлар жеткіліксіз. Екінші өте ұнамсыз нәрсе: енгізу-шығару тақталары әдетте кіріс ретінде қандай да бір бірыңғай сигналды күтеді және оларда далалық жабдықтан гальваникалық оқшаулау жоқ, сондықтан әртүрлі түрлендіру модульдері мен аралық схемалардан қоршау жасау керек, бұл элементтік базаны айтарлықтай қиындатады.
Гальваникалық оқшаулауы бар сигналды түрлендірудің аралық модульдері. Дереккөз:
«Өндірістік автобус протоколы туралы не айтасыз?» - сен сұрадың. Ештеңе. Бұл іске асыруда ол жоқ. Кабельдік желілер арқылы сигнал сенсорлардан сигнал түрлендіргіштеріне өтеді, түрлендіргіштер кернеуді дискретті немесе аналогтық енгізу/шығару тақтасына береді, ал платадағы деректер ОЖ көмегімен енгізу/шығару порттары арқылы әлдеқашан оқылады. Және арнайы хаттамалар жоқ.
Заманауи өнеркәсіптік автобустар мен хаттамалар қалай жұмыс істейді
Енді ше? Бүгінгі күні автоматтандырылған жүйелерді құрудың классикалық идеологиясы аздап өзгерді. Автоматтандыру да ыңғайлы болуы керек дегеннен бастап, бір-бірінен қашықтағы түйіндері бар таратылған автоматтандырылған жүйелерге тенденцияға дейін көптеген факторлар рөл атқарды.
Бәлкім, бүгінгі күні ғимараттарды автоматтандыру жүйелерінің екі негізгі тұжырымдамасы бар деп айта аламыз: локализацияланған және бөлінген автоматтандырылған жүйелер.
Деректерді жинау және басқару белгілі бір жерде орталықтандырылған локализацияланған жүйелер жағдайында жалпы жылдам шинамен, соның ішінде өзіндік алмасу протоколы бар контроллермен өзара қосылған енгізу/шығару модульдерінің белгілі бір жиынтығының тұжырымдамасы сұранысқа ие. Бұл жағдайда, әдетте, енгізу-шығару модульдері сигнал түрлендіргішін де, гальваникалық оқшаулауды да қамтиды (бірақ, әрине, әрқашан емес). Яғни, соңғы пайдаланушыға автоматтандырылған жүйеде датчиктер мен механизмдердің қандай түрлері болатынын түсіну, сигналдардың әртүрлі түрлері үшін қажетті кіріс/шығыс модульдерінің санын санау және оларды контроллермен бір ортақ желіге қосу жеткілікті. . Бұл жағдайда, әдетте, әрбір өндіруші енгізу-шығару модульдері мен контроллер арасында өзінің сүйікті алмасу протоколын пайдаланады және мұнда көптеген опциялар болуы мүмкін.
Бөлінген жүйелер жағдайында локализацияланған жүйелерге қатысты айтылғандардың бәрі шындыққа сәйкес келеді, сонымен қатар жеке құрамдас бөліктер, мысалы, енгізу-шығару модульдерінің жиынтығы және ақпаратты жинау және беру құрылғысы маңызды емес. даладағы стендте, майды өшіретін клапанның жанында орналасқан өте ақылды микроконтроллер - тиімді айырбастау бағамы бар бірдей түйіндермен және негізгі контроллермен үлкен қашықтықта әрекеттесе алады.
Әзірлеушілер өз жобасы үшін протоколды қалай таңдайды? Барлық заманауи алмасу хаттамалары жеткілікті жоғары өнімділікті қамтамасыз етеді, сондықтан бір немесе басқа өндірушіні таңдау көбінесе осы өнеркәсіптік автобустағы айырбас бағамымен анықталмайды. Протоколды іске асырудың өзі соншалықты маңызды емес, өйткені жүйе әзірлеушісінің көзқарасы бойынша ол бәрібір белгілі бір ішкі алмасу құрылымын қамтамасыз ететін және сыртқы кедергілерге арналмаған қара жәшік болады. Көбінесе практикалық сипаттамаларға назар аударылады: компьютердің өнімділігі, өндірушінің тұжырымдамасын тапсырмаға қолданудың қарапайымдылығы, енгізу/шығару модульдерінің қажетті түрлерінің болуы, модульдерді үзусіз жылдам ауыстыру мүмкіндігі. автобус және т.
Танымал жабдық жеткізушілері өнеркәсіптік хаттамалардың өзіндік іске асырылуын ұсынады: мысалы, әйгілі Siemens компаниясы Profinet және Profibus хаттамаларының сериясын әзірлеуде, B&R Powerlink хаттамасын, Rockwell Automation EtherNet/IP протоколын әзірлеуде. Бұл мысалдар тізіміндегі отандық шешім: ресейлік Fastwel компаниясының FBUS протоколының нұсқасы.
Сондай-ақ, EtherCAT және CAN сияқты белгілі бір өндірушіге байланысты емес әмбебап шешімдер бар. Біз мақаланың жалғасында осы хаттамаларды егжей-тегжейлі талдаймыз және олардың қайсысы нақты қолданбалар үшін жақсырақ екенін анықтаймыз: автомобиль және аэроғарыш өнеркәсібі, электроника өндірісі, позициялау жүйелері және робототехника. Байланыста бол!
Ақпарат көзі: www.habr.com