산업 자동화의 버스 및 프로토콜: 작동 방식

확실히 많은 분들이 원자력 발전소나 생산 라인이 많은 공장과 같이 자동화된 물체가 얼마나 큰 규모로 제어되는지 알고 있거나 본 적이 있을 것입니다. 주요 작업은 종종 여러 개의 스크린, 전구가 있는 넓은 방에서 이루어집니다. 그리고 리모콘. 이 제어 단지는 일반적으로 생산 시설을 모니터링하기 위한 주 제어반인 주 제어실이라고 합니다.

확실히 당신은 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 모든 것이 어떻게 작동하는지, 이러한 시스템이 기존 개인용 컴퓨터와 어떻게 다른지 궁금했습니다. 이 기사에서는 다양한 데이터가 주 제어실로 어떻게 전달되는지, 명령이 장비로 전송되는 방법, 압축기 스테이션, 프로판 생산 공장, 자동차 조립 라인 또는 심지어 자동차 조립 라인을 제어하는 ​​데 일반적으로 필요한 것이 무엇인지 살펴보겠습니다. 하수 펌프장.

모든 것이 시작되는 곳은 가장 낮은 레벨 또는 필드버스입니다.

초보자에게는 불명확한 이 단어 세트는 마이크로컨트롤러와 하위 장비(예: I/O 모듈 또는 측정 장치) 간의 통신 수단을 설명해야 할 때 사용됩니다. 일반적으로 이 통신 채널은 "필드"에서 컨트롤러로 들어오는 데이터를 전송하는 역할을 담당하므로 "필드 버스"라고 합니다.

"필드"는 컨트롤러가 상호 작용하는 일부 장비(예: 센서 또는 액추에이터)가 거리, 들판, 밤 덮개 아래 아주 먼 어딘가에 위치한다는 사실을 가리키는 전문적인 용어입니다. . 그리고 센서가 컨트롤러에서 XNUMXm 떨어진 곳에 위치하여 자동화 캐비닛의 온도 등을 측정할 수 있다는 점은 중요하지 않습니다. 이는 여전히 "현장에 있는" 것으로 간주됩니다. 대부분의 경우 I/O 모듈에 도착하는 센서의 신호는 여전히 수십 미터에서 수백 미터(때로는 그 이상)의 거리를 이동하여 원격 사이트나 장비에서 정보를 수집합니다. 실제로 컨트롤러가 동일한 센서로부터 값을 수신하는 교환 버스를 일반적으로 필드 버스라고 부르거나 덜 일반적으로 하위 버스 또는 산업용 버스라고 부르는 이유도 바로 이 때문입니다.

산업 시설 자동화의 일반 계획

따라서 센서의 전기 신호는 여러 센서가 연결된 케이블 라인(일반적으로 특정 수의 코어가 있는 일반 구리 케이블을 따라)을 따라 특정 거리를 이동합니다. 그런 다음 신호는 처리 모듈(입력/출력 모듈)로 들어가 컨트롤러가 이해할 수 있는 디지털 언어로 변환됩니다. 다음으로, 필드 버스를 통한 이 신호는 컨트롤러로 직접 전달되어 최종적으로 처리됩니다. 이러한 신호를 기반으로 마이크로 컨트롤러 자체의 작동 로직이 구축됩니다.

최상위 레벨: 화환부터 전체 워크스테이션까지

상위 수준은 기술 프로세스를 제어하는 ​​일반 필멸의 조작자가 만질 수 있는 모든 것입니다. 가장 간단한 경우, 최상위 레벨은 조명과 버튼 세트입니다. 전구는 시스템에서 발생하는 특정 이벤트에 대해 운영자에게 신호를 보내고, 버튼은 컨트롤러에 명령을 내리는 데 사용됩니다. 이 시스템은 매우 유사해 보이기 때문에 종종 "화환" 또는 "크리스마스 트리"라고 불립니다(기사 시작 부분의 사진에서 볼 수 있듯이).

운영자가 운이 더 좋다면 최상위 수준에서 운영자 패널(어떤 방식으로든 컨트롤러에서 표시할 데이터를 수신하여 화면에 표시하는 일종의 평면 패널 컴퓨터)을 갖게 됩니다. 이러한 패널은 일반적으로 자동화 캐비닛 자체에 장착되므로 일반적으로 서서 상호 작용해야 하므로 불편할 뿐만 아니라 소형 패널의 이미지 품질과 크기도 아쉬운 점이 많습니다.

그리고 마지막으로, 전례 없는 관대함의 매력은 일반 개인용 컴퓨터인 워크스테이션(또는 여러 개의 복제본)입니다.

상위 레벨 장비는 어떤 방식으로든 마이크로컨트롤러와 상호 작용해야 합니다(그렇지 않으면 왜 필요한가요?). 이러한 상호 작용을 위해 이더넷이나 UART와 같은 상위 수준 프로토콜과 특정 전송 매체가 사용됩니다. 물론 "크리스마스 트리"의 경우 그러한 정교함이 필요하지 않습니다. 전구는 일반적인 물리적 선을 사용하여 켜지고 정교한 인터페이스나 프로토콜이 없습니다.

일반적으로 이 상위 레벨은 필드 버스보다 덜 흥미롭습니다. 왜냐하면 이 상위 레벨은 전혀 존재하지 않을 수 있기 때문입니다(운영자가 시리즈에서 볼 수 있는 것은 없습니다. 컨트롤러 자체는 수행해야 할 작업과 방법을 파악합니다). ).

"고대" 데이터 전송 프로토콜: Modbus 및 HART

아는 사람은 거의 없지만 세상 창조 일곱째 날에 하나님은 쉬지 않으시고 모드버스를 창조하셨습니다. HART 프로토콜과 함께 Modbus는 아마도 가장 오래된 산업용 데이터 전송 프로토콜일 것입니다. 이 프로토콜은 1979년에 등장했습니다.

처음에는 직렬 인터페이스가 전송 매체로 사용되었고 이후 TCP/IP를 통해 Modbus가 구현되었습니다. 이는 요청-응답 원칙을 사용하는 동기식 마스터-슬레이브(master-slave) 프로토콜입니다. 프로토콜은 상당히 번거롭고 느리며, 교환 속도는 수신기와 송신기의 특성에 따라 다르지만 일반적으로 특히 직렬 인터페이스를 통해 구현되는 경우에는 거의 수백 밀리초에 이릅니다.

또한 Modbus 데이터 전송 레지스터는 16비트이므로 실수 및 이중 유형의 전송에 즉시 제한이 적용됩니다. 부분적으로 전송되거나 정확도가 떨어지면서 전송됩니다. Modbus는 높은 통신 속도가 필요하지 않고 전송된 데이터의 손실이 중요하지 않은 경우에 여전히 널리 사용됩니다. 다양한 장치를 생산하는 많은 제조업체는 비표준 기능을 추가하여 고유하고 독창적인 방식으로 Modbus 프로토콜을 확장하는 것을 좋아합니다. 따라서 이 프로토콜에는 표준에서 많은 변형과 편차가 있지만 현대 세계에서 여전히 성공적으로 작동합니다.
HART 프로토콜은 4년대부터 사용되어 왔으며 20~XNUMXmA 센서와 기타 HART 지원 장치를 직접 연결하는 XNUMX선 전류 루프 라인을 통한 산업용 통신 프로토콜입니다.

HART 라인을 전환하려면 소위 HART 모뎀이라는 특수 장치가 사용됩니다. 예를 들어 출력에서 ​​Modbus 프로토콜을 사용자에게 제공하는 변환기도 있습니다.

HART는 4-20mA 센서의 아날로그 신호 외에도 프로토콜 자체의 디지털 신호도 회로에서 전송되므로 디지털 부품과 아날로그 부품을 하나의 케이블 라인에 연결할 수 있다는 점에서 주목할 만합니다. 최신 HART 모뎀은 컨트롤러의 USB 포트에 연결하거나 Bluetooth를 통해 연결하거나 직렬 포트를 통해 기존 방식으로 연결할 수 있습니다. XNUMX년 전 Wi-Fi와 유사하게 ISM 범위에서 작동하는 WirelessHART 무선 표준이 나타났습니다.

XNUMX세대 프로토콜 또는 산업용 버스가 아닌 ISA, PCI(e) 및 VME

Modbus 및 HART 프로토콜은 ISA(MicroPC, PC/104) 또는 PCI/PCIe(CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) 및 VME와 같은 산업용 버스가 아닌 버스로 대체되었습니다.

특정 통합 신호를 처리하기 위해 다양한 보드(모듈)를 연결할 수 있는 범용 데이터 버스를 마음대로 사용할 수 있는 컴퓨터 시대가 왔습니다. 일반적으로 이 경우 프로세서 모듈(컴퓨터)이 소위 프레임에 삽입되어 버스를 통해 다른 장치와 상호 작용할 수 있습니다. 프레임, 또는 진정한 자동화 전문가가 "상자"라고 부르는 것처럼 필요한 입출력 보드(아날로그, 이산 장치, 인터페이스 등)가 추가되거나 이 모든 것이 없이 샌드위치 형태로 결합됩니다. 프레임 - 다른 보드 위에 하나의 보드가 있습니다. 그 후, 버스(ISA, PCI 등)의 이러한 다양성은 프로세서 모듈과 데이터를 교환하여 센서로부터 정보를 수신하고 일부 로직을 구현합니다.

PCI 버스의 PXI 프레임에 있는 컨트롤러 및 I/O 모듈. 원천: 내쇼날 인스트루먼트

특히 그 당시에는 이러한 ISA, PCI(e) 및 VME 버스를 사용하면 모든 것이 잘 될 것입니다. 교환 속도는 실망스럽지 않으며 시스템 구성 요소는 단일 프레임에 위치하여 작고 편리하며 핫 스왑이 불가능할 수 있습니다. I/O 카드가 있지만 아직은 그렇게 하고 싶지 않습니다.

그러나 연고에는 파리가 하나 이상 있습니다. 이러한 구성에서 분산 시스템을 구축하는 것은 매우 어렵습니다. 교환 버스는 로컬이므로 다른 슬레이브 또는 피어 노드, TCP/IP를 통한 동일한 Modbus 또는 기타 프로토콜과 데이터를 교환하기 위한 무언가를 찾아야 합니다. 일반적으로 편의성이 충분하지 않습니다. 두 번째로 별로 유쾌하지 않은 점은 I/O 보드는 일반적으로 일종의 통합 신호를 입력으로 기대하며 현장 장비로부터 갈바닉 절연이 없기 때문에 다양한 변환 모듈과 ​​중간 회로에서 울타리를 만들어야 한다는 것입니다. 이는 요소 기반을 크게 복잡하게 만듭니다.

갈바닉 절연 기능을 갖춘 중간 신호 변환 모듈입니다. 원천: 데이터포스 코퍼레이션

“산업용 버스 프로토콜은 어떻습니까?” - 물어. 아무것도 아님. 이 구현에는 존재하지 않습니다. 케이블 라인을 통해 신호는 센서에서 신호 변환기로 이동하고 변환기는 개별 또는 아날로그 I/O 보드에 전압을 공급하며 보드의 데이터는 OS를 사용하여 I/O 포트를 통해 이미 읽혀집니다. 그리고 특별한 프로토콜도 없습니다.

최신 산업용 버스 및 프로토콜의 작동 방식

지금은 무엇입니까? 현재까지 자동화 시스템 구축에 대한 고전적 이념은 약간 변경되었습니다. 자동화도 편리해야 한다는 사실에서 시작하여 서로 원격 노드가 있는 분산 자동화 시스템을 향한 추세로 끝나는 등 많은 요인이 역할을 했습니다.

아마도 오늘날 빌딩 자동화 시스템에는 지역화 자동화 시스템과 분산 자동화 시스템이라는 두 가지 주요 개념이 있다고 말할 수 있습니다.

데이터 수집 및 제어가 하나의 특정 위치에 중앙 집중화되는 지역화된 시스템의 경우 자체 교환 프로토콜이 있는 컨트롤러를 포함하여 공통 고속 버스로 상호 연결된 특정 입력/출력 모듈 세트의 개념이 필요합니다. 이 경우 일반적으로 I/O 모듈에는 신호 변환기와 갈바닉 절연이 모두 포함됩니다(물론 항상 그런 것은 아님). 즉, 최종 사용자가 자동화 시스템에 어떤 유형의 센서와 메커니즘이 있는지 이해하고, 다양한 유형의 신호에 필요한 입력/출력 모듈 수를 계산하고 이를 컨트롤러를 사용하여 하나의 공통 라인에 연결하는 것만으로도 충분합니다. . 이 경우 일반적으로 각 제조업체는 I/O 모듈과 컨트롤러 간에 선호하는 교환 프로토콜을 사용하며 여기에는 많은 옵션이 있을 수 있습니다.

분산 시스템의 경우 지역화된 시스템과 관련하여 언급된 모든 내용은 사실입니다. 또한 입출력 모듈 세트와 정보 수집 및 전송 장치와 같은 개별 구성 요소가 아닌 것이 중요합니다. 현장의 부스 어딘가, 오일을 차단하는 밸브 옆에 있는 매우 스마트한 마이크로컨트롤러는 동일한 노드 및 효과적인 환율로 먼 거리에 있는 메인 컨트롤러와 상호 작용할 수 있습니다.

개발자는 프로젝트에 대한 프로토콜을 어떻게 선택합니까? 모든 최신 교환 프로토콜은 상당히 높은 성능을 제공하므로 하나 또는 다른 제조업체의 선택이 이 산업용 버스의 환율에 의해 결정되지 않는 경우가 많습니다. 프로토콜 자체의 구현은 그다지 중요하지 않습니다. 시스템 개발자의 관점에서 볼 때 이는 여전히 특정 내부 교환 구조를 제공하고 외부 간섭을 위해 설계되지 않은 블랙박스일 것이기 때문입니다. 대부분의 경우 컴퓨터 성능, 제조업체의 개념을 현재 작업에 적용하는 용이성, 필요한 I/O 모듈 유형의 ​​가용성, 중단 없이 모듈을 핫스왑할 수 있는 기능 등 실용적인 특성에 주의를 기울입니다. 버스 등등

유명한 장비 공급업체는 산업용 프로토콜의 자체 구현을 제공합니다. 예를 들어, 잘 알려진 회사인 Siemens는 Profinet 및 Profibus 프로토콜 시리즈를 개발하고 있고, B&R은 Powerlink 프로토콜을 개발하고 있으며, Rockwell Automation은 EtherNet/IP 프로토콜을 개발하고 있습니다. 이 예 목록의 국내 솔루션은 러시아 회사 Fastwel의 FBUS 프로토콜 버전입니다.

EtherCAT 및 CAN과 같이 특정 제조업체에 얽매이지 않는 보다 보편적인 솔루션도 있습니다. 우리는 계속되는 기사에서 이러한 프로토콜을 자세히 분석하고 자동차 및 항공우주 산업, 전자 제조, 포지셔닝 시스템 및 로봇 공학과 같은 특정 응용 분야에 더 적합한 프로토콜을 알아낼 것입니다. 연락을 유지하다!

출처 : habr.com