Автобуси и протоколи во индустриската автоматизација: како функционира сето тоа

Сигурно многумина од вас знаат или дури виделе како се контролираат големите автоматизирани објекти, на пример, нуклеарна централа или фабрика со многу производни линии: главното дејство често се случува во голема просторија, со еден куп екрани, светилки. и далечински управувачи. Овој контролен комплекс обично се нарекува главна контролна соба - главната контролна табла за следење на производниот капацитет.

Сигурно се прашувавте како сето тоа функционира на хардвер и софтвер, како овие системи се разликуваат од конвенционалните персонални компјутери. Во оваа статија, ќе погледнеме како различни податоци стигнуваат до главната контролна просторија, како командите се испраќаат до опремата и што е генерално потребно за да се контролира компресорската станица, фабриката за производство на пропан, линијата за склопување на автомобили, па дури и станица за пумпање канализација.

Најниското ниво или филдбус е местото каде сè започнува

Овој збир на зборови, нејасни за неупатените, се користи кога е неопходно да се опишат средствата за комуникација помеѓу микроконтролерите и подредената опрема, на пример, I/O модули или мерни уреди. Вообичаено, овој комуникациски канал се нарекува „field bus“ бидејќи е одговорен за пренос на податоци што доаѓаат од „полето“ до контролорот.

„Поле“ е длабок професионален термин што се однесува на фактот дека одредена опрема (на пример, сензори или актуатори) со коишто комуницира контролорот се наоѓа некаде далеку, далеку, на улица, на полиња, под превезот на ноќта. . И не е важно што сензорот може да се наоѓа на половина метар од контролорот и да ја мери, да речеме, температурата во кабинетот за автоматизација, сепак се смета дека е „на терен“. Најчесто, сигналите од сензорите кои пристигнуваат до I/O модулите сè уште патуваат растојанија од десетици до стотици метри (а понекогаш и повеќе), собирајќи информации од оддалечените локации или опрема. Всушност, затоа шината за размена, преку која контролорот добива вредности од истите овие сензори, обично се нарекува теренска магистрала или, поретко, автобус од пониско ниво или индустриски автобус.

Општа шема на автоматизација на индустриски објект

Значи, електричниот сигнал од сензорот поминува одредено растојание по кабелските линии (обично по обичен бакарен кабел со одреден број јадра), на кој се поврзани неколку сензори. Сигналот потоа влегува во модулот за обработка (влезен/излезен модул), каде што се претвора во дигитален јазик разбирлив за контролорот. Следно, овој сигнал преку теренската магистрала оди директно до контролорот, каде што конечно се обработува. Врз основа на таквите сигнали се гради оперативната логика на самиот микроконтролер.

Највисоко ниво: од венец до цела работна станица

Горното ниво се нарекува се што може да допре обичен смртен оператор кој го контролира технолошкиот процес. Во наједноставниот случај, највисокото ниво е збир на светла и копчиња. Сијалиците му сигнализираат на операторот за одредени настани што се случуваат во системот, копчињата се користат за издавање команди на контролорот. Овој систем често се нарекува „венец“ или „елка“, бидејќи изгледа многу слично (како што можете да видите од фотографијата на почетокот на статијата).

Ако операторот има поголема среќа, тогаш како највисоко ниво ќе добие операционен панел - еден вид компјутер со рамен панел кој на еден или друг начин прима податоци за прикажување од контролерот и ги прикажува на екранот. Таков панел обично се поставува на самиот кабинет за автоматизација, така што обично треба да комуницирате со него додека стоите, што предизвикува непријатности, плус квалитетот и големината на сликата на панелите со мал формат остава многу да се посакува.

И конечно, атракција на невидена великодушност - работна станица (или дури и неколку дупликати), што е обичен персонален компјутер.

Опремата од повисоко ниво мора на некој начин да комуницира со микроконтролерот (инаку зошто е потребна?). За таква интеракција, се користат протоколи од повисоко ниво и одреден медиум за пренос, на пример, Ethernet или UART. Во случајот со „елката“, таквите софистицирања, се разбира, не се неопходни; светилките се палат со обични физички линии, таму нема софистицирани интерфејси или протоколи.

Општо земено, ова горно ниво е помалку интересно од теренската магистрала, бидејќи ова горно ниво можеби воопшто не постои (нема што да гледа операторот од серијата; самиот контролер ќе сфати што треба да се направи и како ).

„Антички“ протоколи за пренос на податоци: Modbus и HART

Малкумина знаат, но на седмиот ден од создавањето на светот, Бог не се одмори, туку го создаде Модбус. Заедно со протоколот HART, Modbus е можеби најстариот индустриски протокол за пренос на податоци; тој се појави во 1979 година.

Серискиот интерфејс првично се користеше како медиум за пренос, потоа Modbus беше имплементиран преку TCP/IP. Ова е синхрон протокол master-slave (master-slave) кој го користи принципот барање-одговор. Протоколот е прилично тежок и бавен, брзината на размена зависи од карактеристиките на приемникот и предавателот, но обично броењето е речиси стотици милисекунди, особено кога се имплементира преку сериски интерфејс.

Покрај тоа, регистарот за пренос на податоци Modbus е 16-битен, што веднаш наметнува ограничувања за пренос на реални и двојни типови. Тие се пренесуваат или во делови или со губење на точноста. Иако Modbus сè уште е широко користен во случаи кога не се потребни високи брзини на комуникација и губењето на пренесените податоци не е критично. Многу производители на различни уреди сакаат да го прошират протоколот Modbus на свој ексклузивен и многу оригинален начин, додавајќи нестандардни функции. Затоа, овој протокол има многу мутации и отстапувања од нормата, но сепак живее успешно во современиот свет.
Протоколот HART, исто така, постои уште од осумдесеттите, тој е протокол за индустриски комуникации преку двожична тековна јамка линија која директно ги поврзува сензорите од 4-20 mA и другите уреди со овозможен HART.

За префрлување на HART линии, се користат специјални уреди, таканаречени HART модеми. Исто така, постојат конвертори кои му обезбедуваат на корисникот, да речеме, протоколот Modbus на излезот.

HART е можеби забележлив по тоа што покрај аналогните сигнали на сензорите од 4-20 mA, во колото се пренесува и дигиталниот сигнал на самиот протокол, што ви овозможува да ги поврзете дигиталните и аналогните делови во една кабелска линија. Модерните HART модеми можат да се поврзат на USB-портата на контролорот, да се поврзат преку Bluetooth или на старомоден начин преку сериски приклучок. Пред десетина години, по аналогија со Wi-Fi, се појави безжичниот стандард WirelessHART, кој работи во опсегот ISM.

Втора генерација на протоколи или не сосема индустриски автобуси ISA, PCI(e) и VME

Протоколите Modbus и HART се заменети со не сосема индустриски автобуси, како што се ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), како и VME.

Дојде ерата на компјутерите кои имаат на располагање универзална податочна магистрала, каде што може да се поврзат различни табли (модули) за да обработат одреден унифициран сигнал. Како по правило, во овој случај, процесорскиот модул (компјутер) се вметнува во таканаречената рамка, што обезбедува интеракција преку магистралата со други уреди. Рамката, или, како што сакаат да ја нарекуваат вистинските експерти за автоматизација, „гајба“, е дополнета со потребните влезно-излезни табли: аналогни, дискретни, интерфејс итн., или сето тоа е составено во форма на сендвич без рамка - една табла на врвот на другата. После тоа, оваа сорта на магистралата (ISA, PCI, итн.) разменува податоци со процесорскиот модул, кој на тој начин добива информации од сензорите и спроведува одредена логика.

Контролер и I/O модули во рамка PXI на PCI магистрала. Извор: National Instruments Corporation

Сè би било во ред со овие автобуси ISA, PCI(e) и VME, особено за тие времиња: брзината на размена не е разочарувачка, а компонентите на системот се сместени во една рамка, компактни и удобни, можеби нема да може да се замени топло I/O картички, но сè уште не сакам.

Но, има мува во маст, и повеќе од една. Прилично е тешко да се изгради дистрибуиран систем во таква конфигурација, магистралата за размена е локална, треба да смислиш нешто за размена на податоци со други slave или peer јазли, истиот Modbus преку TCP/IP или некој друг протокол, во генерално, нема доволно погодности. Па, втората не многу пријатна работа: I/O таблите обично очекуваат некој вид унифициран сигнал како влез и немаат галванска изолација од теренската опрема, па затоа треба да направите ограда од различни модули за конверзија и средно кола, што во голема мера ја комплицира основата на елементот.

Модули за конверзија на средно сигнал со галванска изолација. Извор: Корпорацијата DataForth

„Што е со протоколот за индустриски автобуси? - прашуваш ти. Ништо. Не постои во оваа имплементација. Преку кабелските линии, сигналот патува од сензори до конвертори на сигнали, конверторите напојуваат напон до дискретна или аналогна В/И плочка, а податоците од плочата веќе се читаат преку влезните/излезни порти со помош на ОС. И нема специјализирани протоколи.

Како функционираат модерните индустриски автобуси и протоколи

Што сега? До денес, класичната идеологија за градење на автоматизирани системи е малку променета. Многу фактори одиграа улога, почнувајќи од фактот дека автоматизацијата исто така треба да биде удобна, а завршувајќи со трендот кон дистрибуирани автоматизирани системи со јазли оддалечени еден од друг.

Можеби можеме да кажеме дека денес постојат два главни концепти за градење системи за автоматизација: локализирани и дистрибуирани автоматизирани системи.

Во случај на локализирани системи, каде собирањето и контролата на податоците се централизирани на една специфична локација, се бара концептот на одреден сет на влезно/излезни модули меѓусебно поврзани со заедничка брза магистрала, вклучувајќи контролер со сопствен протокол за размена. Во овој случај, по правило, I/O модулите вклучуваат и конвертор на сигнал и галванска изолација (иако, се разбира, не секогаш). Односно, доволно е крајниот корисник да разбере какви видови сензори и механизми ќе има во автоматизираниот систем, да го брои бројот на потребните влезно/излезни модули за различни типови сигнали и да ги поврзе во една заедничка линија со контролорот. . Во овој случај, по правило, секој производител го користи својот омилен протокол за размена помеѓу I/O модулите и контролерот, и тука може да има многу опции.

Во случај на дистрибуирани системи, сè што е кажано во врска со локализираните системи е точно, дополнително, важно е поединечните компоненти, на пример, збир на влезно-излезни модули плус уред за собирање и пренесување информации - не многу паметен микроконтролер што стои некаде во кабина на поле, до вентилот што го исклучува маслото - може да комуницира со истите јазли и со главниот контролер на голема оддалеченост со ефективен девизен курс.

Како програмерите избираат протокол за нивниот проект? Сите модерни протоколи за размена обезбедуваат прилично високи перформанси, така што изборот на еден или друг производител често не се одредува според девизниот курс на овој многу индустриски автобус. Имплементацијата на самиот протокол не е толку важна, бидејќи, од гледна точка на развивачот на системот, тоа сепак ќе биде црна кутија која обезбедува одредена структура на внатрешна размена и не е дизајнирана за надворешни пречки. Најчесто, вниманието се посветува на практичните карактеристики: перформансите на компјутерот, леснотијата на примена на концептот на производителот на задачата што се поставува, достапноста на потребните типови влезни/излезни модули, способноста за жешко заменливи модули без прекин автобусот итн.

Популарните добавувачи на опрема нудат свои имплементации на индустриски протоколи: на пример, добро познатата компанија Сименс ја развива својата серија протоколи Profinet и Profibus, B&R го развива протоколот Powerlink, Rockwell Automation го развива протоколот EtherNet/IP. Домашно решение во оваа листа на примери: верзија на протоколот FBUS од руската компанија Fastwel.

Исто така, постојат повеќе универзални решенија кои не се врзани за одреден производител, како што се EtherCAT и CAN. Овие протоколи детално ќе ги анализираме во продолжение на статијата и ќе откриеме кои од нив се посоодветни за специфични апликации: автомобилска и воздушна индустрија, производство на електроника, системи за позиционирање и роботика. Останете во контакт!

Извор: www.habr.com