Tikrai daugelis žinote ar net matėte, kaip valdomi dideli automatizuoti objektai, pavyzdžiui, atominė elektrinė ar gamykla su daugybe gamybos linijų: pagrindinis veiksmas dažnai vyksta didelėje patalpoje, su krūva ekranų, lempučių. ir nuotolinio valdymo pultelius. Šis valdymo kompleksas paprastai vadinamas pagrindine valdymo patalpa – pagrindiniu valdymo pultu, skirtu gamybinės patalpos stebėjimui.
Tikrai jums buvo įdomu, kaip visa tai veikia aparatinės ir programinės įrangos atžvilgiu, kuo šios sistemos skiriasi nuo įprastų asmeninių kompiuterių. Šiame straipsnyje apžvelgsime, kaip įvairūs duomenys patenka į pagrindinį valdymo kambarį, kaip į įrangą siunčiamos komandos ir ko paprastai reikia norint valdyti kompresorių stotį, propano gamybos įmonę, automobilių surinkimo liniją ar net kanalizacijos siurblinė.
Viskas prasideda nuo žemiausio lygio arba lauko magistralės
Šis neišmanančiam neaiškus žodžių rinkinys vartojamas, kai reikia apibūdinti ryšio priemones tarp mikrovaldiklių ir pavaldžių įrenginių, pavyzdžiui, I/O modulius ar matavimo prietaisus. Paprastai šis ryšio kanalas vadinamas „lauko magistrale“, nes jis yra atsakingas už duomenų, gaunamų iš „lauko“, perdavimą valdikliui.
„Laukas“ yra gilus profesinis terminas, nurodantis tai, kad kai kurie įrenginiai (pavyzdžiui, jutikliai ar pavaros), su kuriais valdiklis sąveikauja, yra kažkur toli, toli, gatvėje, laukuose, po nakties priedanga. . Ir nesvarbu, kad jutiklis gali būti per pusę metro nuo valdiklio ir matuoti, tarkime, temperatūrą automatikos spintoje, vis tiek laikoma, kad jis yra „lauke“. Dažniausiai signalai iš jutiklių, patenkančių į I/O modulius, vis tiek nukeliauja nuo dešimčių iki šimtų metrų (o kartais ir daugiau), renkant informaciją iš nutolusių vietų ar įrangos. Tiesą sakant, todėl mainų magistralė, per kurią valdiklis gauna reikšmes iš tų pačių jutiklių, paprastai vadinama lauko magistrale arba, rečiau, žemesnio lygio magistrale arba pramonine magistrale.
Bendra pramonės objekto automatizavimo schema
Taigi, jutiklio elektrinis signalas nukeliauja tam tikru atstumu kabelių linijomis (dažniausiai palei įprastą varinį kabelį su tam tikru skaičiumi gyslų), prie kurių prijungti keli jutikliai. Tada signalas patenka į apdorojimo modulį (įvesties/išvesties modulį), kur jis paverčiamas į valdikliui suprantamą skaitmeninę kalbą. Tada šis signalas per lauko magistralę patenka tiesiai į valdiklį, kur jis galiausiai apdorojamas. Remiantis tokiais signalais, yra sukurta paties mikrovaldiklio veikimo logika.
Aukščiausias lygis: nuo girliandos iki visos darbo vietos
Viršutiniu lygiu vadinama viskas, ką gali paliesti paprastas mirtingas operatorius, valdantis technologinį procesą. Paprasčiausiu atveju aukščiausias lygis yra lempučių ir mygtukų rinkinys. Lemputės signalizuoja operatoriui apie tam tikrus sistemoje vykstančius įvykius, mygtukais išduodamos komandos valdikliui. Ši sistema dažnai vadinama "girlianda" arba "eglute", nes atrodo labai panašiai (kaip matote iš nuotraukos straipsnio pradžioje).
Jei operatoriui labiau pasiseks, tai kaip aukščiausią lygį jis gaus operatoriaus skydelį – savotišką plokščiaekranį kompiuterį, kuris vienaip ar kitaip gauna duomenis atvaizdavimui iš valdiklio ir rodo juos ekrane. Toks skydelis dažniausiai montuojamas ant pačios automatikos spintelės, todėl dažniausiai tenka bendrauti su ja stovint, o tai sukelia nepatogumų, be to, mažo formato plokštėse vaizdo kokybė ir dydis palieka daug norimų rezultatų.
Ir galiausiai dar neregėto dosnumo trauka – darbo vieta (ar net keli dublikatai), kuri yra paprastas asmeninis kompiuteris.
Viršutinio lygio įranga turi tam tikru būdu sąveikauti su mikrovaldikliu (kitaip kam to reikia?). Tokiai sąveikai naudojami aukštesnio lygio protokolai ir tam tikra perdavimo terpė, pavyzdžiui, Ethernet arba UART. „Kalėdų eglutės“ atveju tokie įmantrumai, žinoma, nėra būtini, lemputės uždegamos naudojant įprastas fizines linijas, ten nėra įmantrių sąsajų ar protokolų.
Apskritai šis viršutinis lygis yra mažiau įdomus nei lauko magistralė, nes šio viršutinio lygio gali ir nebūti (operatoriui nėra ko žiūrėti iš serijos; pats valdiklis išsiaiškins, ką ir kaip reikia daryti ).
„Senoviniai“ duomenų perdavimo protokolai: Modbus ir HART
Mažai kas žino, bet septintą pasaulio sukūrimo dieną Dievas ne ilsėjosi, o sukūrė Modbusą. Kartu su HART protokolu Modbus yra bene seniausias pramoninis duomenų perdavimo protokolas, kuris pasirodė 1979 m.
Iš pradžių nuoseklioji sąsaja buvo naudojama kaip perdavimo terpė, vėliau per TCP/IP buvo įdiegta Modbus. Tai sinchroninis pagrindinis-pavaldys (master-slave) protokolas, kuris naudoja užklausos-atsakymo principą. Protokolas ganėtinai sudėtingas ir lėtas, apsikeitimo greitis priklauso nuo imtuvo ir siųstuvo charakteristikų, tačiau dažniausiai skaičiavimas siekia beveik šimtus milisekundžių, ypač kai jis įgyvendinamas per nuosekliąją sąsają.
Be to, Modbus duomenų perdavimo registras yra 16 bitų, o tai iš karto apriboja realių ir dvigubų tipų perdavimą. Jie perduodami dalimis arba prarandant tikslumą. Nors Modbus vis dar plačiai naudojamas tais atvejais, kai nereikia didelio ryšio greičio, o perduodamų duomenų praradimas nėra kritinis. Daugelis įvairių įrenginių gamintojų mėgsta išplėsti Modbus protokolą savo išskirtiniu ir labai originaliu būdu, pridedant nestandartinių funkcijų. Todėl šis protokolas turi daug mutacijų ir nukrypimų nuo normos, tačiau vis dar sėkmingai gyvuoja šiuolaikiniame pasaulyje.
HART protokolas taip pat egzistuoja nuo devintojo dešimtmečio, tai pramoninio ryšio protokolas per dviejų laidų srovės kilpos liniją, tiesiogiai jungiančią 4-20 mA jutiklius ir kitus HART palaikančius įrenginius.
Norint perjungti HART linijas, naudojami specialūs įrenginiai, vadinamieji HART modemai. Taip pat yra keitiklių, kurie vartotojui suteikia, tarkime, Modbus protokolą išėjime.
HART galbūt išsiskiria tuo, kad be analoginių 4-20 mA jutiklių signalų grandinėje perduodamas ir pats protokolo skaitmeninis signalas, tai leidžia sujungti skaitmenines ir analogines dalis vienoje kabelių linijoje. Šiuolaikinius HART modemus galima prijungti prie valdiklio USB prievado, per Bluetooth arba senoviniu būdu per nuoseklųjį prievadą. Prieš keliolika metų, pagal analogiją su „Wi-Fi“, atsirado „WirelessHART“ belaidis standartas, veikiantis ISM diapazone.
Antros kartos protokolai arba ne visai pramoninės magistralės ISA, PCI(e) ir VME
Modbus ir HART protokolus pakeitė ne visai pramoninės magistralės, tokios kaip ISA (MicroPC, PC/104) arba PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), taip pat VME.
Atėjo kompiuterių era, kurie disponuoja universalia duomenų magistrale, kurioje galima prijungti įvairias plokštes (modulius), kad apdorotų tam tikrą vieningą signalą. Paprastai tokiu atveju procesoriaus modulis (kompiuteris) įterpiamas į vadinamąjį rėmelį, kuris užtikrina sąveiką per magistralę su kitais įrenginiais. Rėmas arba, kaip tikri automatikos ekspertai mėgsta vadinti, „crate“ yra papildytas reikalingomis įvesties-išvesties plokštėmis: analoginėmis, diskretinėmis, sąsajomis ir pan., arba visa tai sujungiama į sumuštinį be rėmas – viena lenta ant kitos. Po to ši magistralės įvairovė (ISA, PCI ir kt.) keičiasi duomenimis su procesoriaus moduliu, kuris taip gauna informaciją iš jutiklių ir įgyvendina tam tikrą logiką.
Valdiklis ir I/O moduliai PXI rėmelyje PCI magistrale. Šaltinis:
Viskas būtų gerai su šiomis ISA, PCI(e) ir VME magistrale, ypač tiems laikams: mainų greitis nenuvilia, o sistemos komponentai išdėstyti viename kadre, kompaktiški ir patogūs, gali ir nebūti karšto keitimo. Įvesties / išvesties kortelės, bet aš to dar nenoriu.
Bet yra musės tepalu, ir ne viena. Sukurti paskirstytą sistemą tokioje konfigūracijoje gana sunku, mainų magistralė yra lokali, reikia sugalvoti ką nors keistis duomenimis su kitais slave ar peer mazgais, ta pati Modbus per TCP/IP ar kokį kitą protokolą, apskritai nėra pakankamai patogumų. Na, o antras nelabai malonus dalykas: I/O plokštės dažniausiai tikisi kažkokio vieningo signalo kaip įvesties, o jos neturi galvaninės izoliacijos nuo lauko įrangos, todėl reikia daryti tvorą iš įvairių konvertavimo modulių ir tarpinių schemų, o tai labai apsunkina elementų bazę.
Tarpiniai signalų konvertavimo moduliai su galvanine izoliacija. Šaltinis:
„O kaip su pramoninių autobusų protokolu? - Jūs klausiate. Nieko. Šiame įgyvendinime jo nėra. Kabelių linijomis signalas keliauja iš jutiklių į signalų keitiklius, keitikliai tiekia įtampą į diskrečią arba analoginę I/O plokštę, o duomenys iš plokštės jau nuskaitomi per I/O prievadus naudojant OS. Ir jokių specializuotų protokolų.
Kaip veikia šiuolaikiniai pramoniniai autobusai ir protokolai
Kas dabar? Iki šiol klasikinė automatizuotų sistemų kūrimo ideologija šiek tiek pasikeitė. Tam įtakos turėjo daugelis veiksnių, pradedant tuo, kad automatizavimas taip pat turėtų būti patogus, ir baigiant tendencija į paskirstytas automatizuotas sistemas, kurių mazgai nutolę vienas nuo kito.
Galbūt galime pasakyti, kad šiandien yra dvi pagrindinės pastatų automatizavimo sistemų koncepcijos: lokalizuotos ir paskirstytos automatizuotos sistemos.
Lokalizuotų sistemų atveju, kai duomenų rinkimas ir valdymas centralizuojami vienoje konkrečioje vietoje, paklausa yra tam tikro įvesties/išvesties modulių rinkinio, sujungtų bendra greita magistrale, įskaitant valdiklį su savo mainų protokolu, koncepcija. Šiuo atveju, kaip taisyklė, I/O moduliai apima ir signalo keitiklį, ir galvaninę izoliaciją (nors, žinoma, ne visada). Tai yra, galutiniam vartotojui pakanka suprasti, kokių tipų jutikliai ir mechanizmai bus automatizuotoje sistemoje, suskaičiuoti reikalingų įvesties / išvesties modulių skaičių skirtingų tipų signalams ir sujungti juos į vieną bendrą liniją su valdikliu. . Šiuo atveju, kaip taisyklė, kiekvienas gamintojas naudoja savo mėgstamą keitimosi protokolą tarp I/O modulių ir valdiklio, o čia gali būti daug galimybių.
Paskirstytų sistemų atveju viskas, kas sakoma apie lokalizuotas sistemas, yra tiesa, be to, svarbu, kad atskiri komponentai, pavyzdžiui, įvesties-išvesties modulių rinkinys ir informacijos rinkimo ir perdavimo įrenginys labai protingas mikrovaldiklis, kuris stovi kur nors kabinoje lauke, šalia vožtuvo, kuris išjungia alyvą – galėtų sąveikauti su tais pačiais mazgais ir su pagrindiniu valdikliu dideliu atstumu esant efektyviam valiutos kursui.
Kaip kūrėjai pasirenka protokolą savo projektui? Visi šiuolaikiniai keitimo protokolai užtikrina gana aukštą našumą, todėl vieno ar kito gamintojo pasirinkimą dažnai lemia ne valiutos kursas būtent šioje pramoninėje magistralėje. Pats protokolo įgyvendinimas nėra toks svarbus, nes, sistemos kūrėjo požiūriu, tai vis tiek bus juodoji dėžė, kuri suteikia tam tikrą vidinę mainų struktūrą ir nėra skirta išoriniams trukdžiams. Dažniausiai dėmesys skiriamas praktinėms charakteristikoms: kompiuterio našumui, gamintojo koncepcijos pritaikymo užduočiai lengvumui, reikiamų tipų įvesties/išvesties modulių prieinamumui, galimybei keisti modulius nenutrūkstant. autobusas ir kt.
Populiarūs įrangos tiekėjai siūlo savo pramoninių protokolų diegimus: pavyzdžiui, žinoma kompanija Siemens kuria savo Profinet ir Profibus protokolų serijas, B&R kuria Powerlink protokolą, Rockwell Automation kuria EtherNet/IP protokolą. Buitinis sprendimas šiame pavyzdžių sąraše: Rusijos įmonės „Fastwel“ FBUS protokolo versija.
Yra ir universalesnių sprendimų, nesusietų su konkrečiu gamintoju, pavyzdžiui, EtherCAT ir CAN. Straipsnio tęsinyje išsamiai išanalizuosime šiuos protokolus ir išsiaiškinsime, kurie iš jų labiau tinka konkrečioms reikmėms: automobilių ir aviacijos pramonei, elektronikos gamyboje, padėties nustatymo sistemoms ir robotikai. Palaikykite ryšį!
Šaltinis: www.habr.com