Pasti ramai di antara anda tahu atau pernah melihat bagaimana objek automatik yang besar dikawal, contohnya, loji kuasa nuklear atau kilang dengan banyak talian teknologi: tindakan utama sering berlaku di dalam bilik besar, dengan sekumpulan skrin, mentol lampu dan alat kawalan jauh. Kompleks kawalan ini biasanya dipanggil bilik kawalan utama - panel kawalan utama untuk mengawal kemudahan pengeluaran.
Pasti anda tertanya-tanya bagaimana semuanya berfungsi dari segi perkakasan dan perisian, bagaimana sistem ini berbeza daripada komputer peribadi biasa. Dalam artikel ini, kita akan melihat bagaimana pelbagai data sampai ke bilik kawalan utama, cara arahan diberikan kepada peralatan, dan perkara yang biasanya diperlukan untuk mengawal stesen pemampat, unit pengeluaran propana, barisan pemasangan kereta, atau malah unit pam kumbahan.
Lapisan bawah atau bas medan adalah tempat ia bermula
Set perkataan ini, kabur kepada yang belum tahu, digunakan apabila perlu untuk menerangkan cara komunikasi mikropengawal dengan peralatan bawahan, contohnya, modul I / O atau peranti pengukur. Biasanya saluran komunikasi ini dipanggil "bas medan", kerana ia bertanggungjawab untuk menghantar data kepada pengawal yang datang dari "medan".
"Lapangan" ialah istilah profesional yang mendalam yang merujuk kepada fakta bahawa beberapa peralatan (contohnya, penderia atau penggerak) yang mana pengawal berinteraksi berada di suatu tempat yang jauh, jauh, di jalan, di padang, di bawah liputan malam. Dan tidak kira bahawa sensor boleh terletak setengah meter dari pengawal dan mengukur, katakan, suhu dalam kabinet automasi, ia masih dianggap "di lapangan". Selalunya, isyarat dari sensor yang datang ke modul I / O masih mengatasi jarak dari puluhan hingga ratusan meter (dan kadang-kadang lebih), mengumpul maklumat dari tapak atau peralatan terpencil. Sebenarnya, oleh itu, bas pertukaran, yang melaluinya pengawal menerima nilai dari sensor yang sama ini, biasanya dipanggil bas medan atau, kurang kerap, bas peringkat rendah atau bas industri.
Skim am automasi kemudahan perindustrian
Jadi, isyarat elektrik dari sensor bergerak pada jarak tertentu sepanjang talian kabel (biasanya sepanjang kabel tembaga konvensional dengan bilangan teras tertentu), yang mana beberapa sensor disambungkan. Kemudian isyarat memasuki modul pemprosesan (modul input-output), di mana ia ditukar kepada bahasa digital yang boleh difahami oleh pengawal. Selanjutnya, isyarat ini pergi terus ke pengawal melalui bas medan, di mana ia akhirnya diproses. Berdasarkan isyarat sedemikian, logik mikropengawal itu sendiri dibina.
Tahap atas: dari kalungan ke seluruh stesen kerja
Tahap atas adalah segala-galanya yang boleh disentuh oleh pengendali fana biasa yang mengawal proses. Dalam kes yang paling mudah, tahap atas ialah set mentol lampu dan butang. Mentol lampu memberi isyarat kepada pengendali tentang beberapa peristiwa yang sedang berlaku dalam sistem, butang berfungsi untuk memberi arahan kepada pengawal. Sistem sedemikian sering dipanggil "garland" atau "pokok Krismas" kerana ia kelihatan sangat serupa (seperti yang anda lihat dari foto pada permulaan artikel).
Jika pengendali lebih bernasib baik, maka sebagai peringkat atas dia akan mendapat panel pengendali - sejenis komputer panel rata yang entah bagaimana menerima data untuk paparan daripada pengawal dan memaparkannya pada skrin. Panel sedemikian biasanya dipasang pada kabinet automasi itu sendiri, jadi anda biasanya perlu berinteraksi dengannya semasa berdiri, yang menyebabkan ketidakselesaan, ditambah kualiti dan saiz imej pada panel format kecil meninggalkan banyak yang diingini.
Dan, akhirnya, tarikan kemurahan hati yang tidak pernah berlaku sebelum ini - stesen kerja (atau bahkan beberapa pendua), yang merupakan komputer peribadi biasa.
Peralatan peringkat atas mesti berinteraksi dalam beberapa cara dengan mikropengawal (jika tidak mengapa ia diperlukan?). Untuk interaksi sedemikian, protokol peringkat atas dan medium penghantaran tertentu, contohnya, Ethernet atau UART, digunakan. Dalam kes pokok Krismas, sudah tentu, penghalusan sedemikian tidak diperlukan, mentol dinyalakan menggunakan garis fizikal biasa, tidak ada antara muka dan protokol yang canggih di sana.
Secara umum, tahap atas ini kurang menarik daripada bas lapangan, kerana tahap teratas ini mungkin tidak wujud sama sekali (pengendali tidak mempunyai apa-apa untuk ditonton daripada siri ini, pengawal akan memikirkan apa yang perlu dilakukan dan bagaimana).
Protokol pemindahan data "purba": Modbus dan HART
Hanya sedikit orang yang tahu, tetapi pada hari ketujuh penciptaan dunia, Tuhan tidak berehat, tetapi mencipta Modbus. Bersama-sama dengan protokol HART, Modbus mungkin merupakan protokol komunikasi industri tertua, ia muncul seawal tahun 1979.
Antara muka bersiri pada mulanya digunakan sebagai medium penghantaran, kemudian Modbus dilaksanakan melalui TCP / IP. Ini ialah protokol tuan-hamba (tuan-hamba) segerak yang menggunakan prinsip permintaan-tindak balas. Protokolnya agak berat dan perlahan, kadar pertukaran bergantung pada ciri-ciri penerima dan pemancar, tetapi biasanya skornya hampir ratusan milisaat, terutamanya apabila dilaksanakan melalui antara muka bersiri.
Selain itu, daftar pemindahan data Modbus adalah 16-bit, yang dengan serta-merta mengenakan sekatan ke atas pemindahan jenis sebenar dan berganda. Ia dihantar sama ada dalam bahagian atau dengan kehilangan ketepatan. Walaupun Modbus masih digunakan secara meluas dalam kes di mana kadar pertukaran yang tinggi tidak diperlukan dan kehilangan data yang dihantar tidak kritikal. Banyak pengeluar pelbagai peranti suka memanjangkan protokol Modbus dengan cara mereka sendiri yang unik dan sangat asli, menambah ciri bukan standard. Oleh itu, protokol ini mempunyai banyak mutasi dan penyimpangan dari norma, tetapi masih berjaya hidup di dunia moden.
Protokol HART juga telah wujud sejak tahun 4-an, ia adalah protokol komunikasi industri melalui gelung arus dua wayar yang menghubungkan terus pemancar 20-XNUMX mA dan peranti lain yang didayakan HART.
Untuk menukar talian HART, peranti khas digunakan, yang dipanggil modem HART. Terdapat juga penukar yang pada output memberikan pengguna, katakan, protokol Modbus.
HART patut diberi perhatian, mungkin, sebagai tambahan kepada isyarat analog sensor 4-20 mA, isyarat digital protokol itu sendiri juga dihantar dalam litar, ini membolehkan anda menyambungkan bahagian digital dan analog dalam satu kabel barisan. Modem HART moden boleh disambungkan ke port USB pengawal, disambungkan melalui Bluetooth, atau dengan cara lama melalui port bersiri. Sedekad yang lalu, dengan analogi dengan Wi-Fi, standard wayarles WirelessHART muncul, beroperasi dalam jalur ISM.
Generasi kedua protokol atau tidak agak bas industri ISA, PCI (e) dan VME
Protokol Modbus dan HART telah digantikan dengan bas bukan industri seperti ISA (MicroPC, PC/104) atau PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), serta VME.
Era kalkulator telah datang, mempunyai bas pemindahan data universal, di mana anda boleh menyambungkan pelbagai papan (modul) untuk memproses isyarat bersatu tertentu. Sebagai peraturan, dalam kes ini, modul pemproses (komputer) dimasukkan ke dalam bingkai yang dipanggil, yang menyediakan interaksi bas dengan peranti lain. Bingkai, atau, sebagai automator sebenar suka memanggilnya, "peti", ditambah dengan papan I / O yang diperlukan: analog, diskret, antara muka, dll., atau semua ini dilekatkan bersama dalam bentuk sandwic tanpa bingkai - satu papan di atas yang lain. Selepas itu, pelbagai ini pada bas (ISA, PCI, dll.) Berkomunikasi dengan modul pemproses, yang dengan itu menerima maklumat daripada sensor dan melaksanakan beberapa jenis logik.
Modul pengawal dan I/O dalam bingkai PXI pada bas PCI. Sumber:
Segala-galanya akan baik-baik saja dengan bas ISA, PCI (e) dan VME ini, terutamanya pada masa itu: kadar pertukaran tidak terganggu, dan komponen sistem terletak dalam satu bingkai, padat dan mudah, mungkin tidak ada pertukaran panas Kad I / O, tetapi masih tidak mahu.
Tetapi ada lalat dalam salap, dan bukan satu. Agak sukar untuk membina sistem yang diedarkan dalam konfigurasi sedemikian, bas pertukaran adalah tempatan, anda perlu menghasilkan sesuatu untuk menukar data dengan hamba lain atau nod rakan sebaya, Modbus yang sama melalui TCP / IP atau beberapa protokol lain, dalam am, tiada kemudahan yang mencukupi. Nah, perkara kedua tidak begitu menyenangkan: papan I / O biasanya menunggu beberapa isyarat bersatu untuk input, dan mereka tidak mempunyai pengasingan galvanik dengan peralatan lapangan, jadi anda perlu memagar taman pelbagai modul penukaran dan litar perantaraan, yang sangat merumitkan asas unsur.
Modul penukaran isyarat perantaraan dengan pengasingan galvanik. Sumber:
"Bagaimana dengan protokol komunikasi bas lapangan?" - anda bertanya. Tapi tiada apa-apa. Ia tidak wujud dalam pelaksanaan ini. Melalui talian kabel, isyarat pergi dari penderia ke penukar isyarat, voltan keluaran penukar ke papan I/O diskret atau analog, dan data daripada papan sudah dibaca melalui port I/O, melalui OS . Dan tiada protokol khusus.
Cara Bas dan Protokol Perindustrian Moden Berfungsi
Apa sekarang? Sehingga kini, ideologi klasik membina sistem automatik telah berubah sedikit. Banyak faktor memainkan peranan, daripada fakta bahawa ia juga sepatutnya mudah untuk mengautomasikan, dan berakhir dengan aliran ke arah sistem automatik teragih dengan nod berjauhan antara satu sama lain.
Mungkin, kita boleh mengatakan bahawa hari ini terdapat dua konsep utama untuk membina sistem automasi: sistem automatik setempat dan teragih.
Dalam kes sistem setempat, di mana pengumpulan dan kawalan data dipusatkan di satu tempat tertentu, konsep set tertentu modul I / O yang disambungkan oleh bas laju biasa, termasuk pengawal dengan protokol pertukarannya sendiri, sedang dalam permintaan. Dalam kes ini, sebagai peraturan, modul I / O termasuk kedua-dua penukar isyarat dan pengasingan galvanik (walaupun, sudah tentu, tidak selalu). Iaitu, sudah cukup bagi pengguna akhir untuk memahami jenis sensor dan mekanisme yang akan hadir dalam sistem automatik, mengira bilangan modul I / O yang diperlukan untuk jenis isyarat yang berbeza dan menyambungkannya ke dalam satu baris biasa dengan pengawal. . Dalam kes ini, sebagai peraturan, setiap pengeluar menggunakan protokol pertukaran kegemarannya antara modul I / O dan pengawal, dan terdapat banyak pilihan.
Dalam kes sistem yang diedarkan, semua yang telah dikatakan tentang sistem setempat adalah benar, kecuali untuk ini, adalah penting bahawa komponen individu, sebagai contoh, satu set modul I / O ditambah dengan pengumpulan maklumat dan peranti penghantaran - tidak terlalu mikropengawal pintar yang berdiri di suatu tempat di gerai di lapangan, bersebelahan kren yang mematikan minyak, boleh berinteraksi dengan nod yang sama dan dengan pengawal utama pada jarak yang jauh dengan kadar pertukaran yang berkesan.
Bagaimanakah pembangun memilih protokol untuk projek mereka? Semua protokol pertukaran moden menyediakan kelajuan yang agak tinggi, jadi selalunya pilihan pengeluar tertentu tidak ditentukan oleh kadar pertukaran pada bas industri yang sama ini. Pelaksanaan protokol itu sendiri tidak begitu penting, kerana, dari sudut pandangan pembangun sistem, ia masih akan menjadi kotak hitam yang menyediakan beberapa struktur dalaman untuk pertukaran dan tidak direka untuk gangguan luar. Selalunya, perhatian diberikan kepada ciri-ciri praktikal: prestasi kalkulator, kemudahan menerapkan konsep pengilang kepada tugas, ketersediaan jenis modul input-output yang diperlukan, kemungkinan modul pertukaran panas tanpa memecahkan bas , dan lain-lain.
Penjual peralatan popular menawarkan pelaksanaan protokol industri mereka sendiri: contohnya, syarikat terkenal Siemens sedang membangunkan siri protokol Profinet dan Profibusnya, B&R sedang membangunkan protokol Powerlink, Rockwell Automation sedang membangunkan protokol EtherNet / IP. Penyelesaian domestik dalam senarai contoh ini: versi protokol FBUS dari syarikat Rusia Fastwel.
Terdapat juga penyelesaian yang lebih universal yang tidak terikat dengan pengilang tertentu, seperti EtherCAT dan CAN. Kami akan meneroka protokol ini secara terperinci kemudian dalam artikel ini dan melihat mana yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu: automotif, aeroangkasa, elektronik, sistem kedudukan dan robotik. Terus berhubung!
Sumber: www.habr.com