Velen van jullie weten ongetwijfeld of hebben zelfs gezien hoe grote geautomatiseerde objecten worden bestuurd, bijvoorbeeld een kerncentrale of een fabriek met veel productielijnen: de hoofdactie vindt vaak plaats in een grote kamer, met een aantal schermen, gloeilampen en afstandsbedieningen. Dit controlecomplex wordt gewoonlijk de hoofdcontrolekamer genoemd: het hoofdcontrolepaneel voor het bewaken van de productiefaciliteit.
Je vroeg je vast af hoe het allemaal werkt op het gebied van hardware en software, hoe deze systemen verschillen van conventionele personal computers. In dit artikel zullen we bekijken hoe verschillende gegevens de hoofdcontrolekamer bereiken, hoe commando's naar de apparatuur worden gestuurd en wat er doorgaans nodig is om een compressorstation, een propaanproductiefabriek, een assemblagelijn voor auto's of zelfs een fabriek te besturen. riool pompinstallatie.
Het laagste niveau of de veldbus is waar het allemaal begint
Deze reeks woorden, onduidelijk voor niet-ingewijden, wordt gebruikt wanneer het nodig is om de communicatiemiddelen tussen microcontrollers en ondergeschikte apparatuur te beschrijven, bijvoorbeeld I/O-modules of meetapparatuur. Normaal gesproken wordt dit communicatiekanaal een “veldbus” genoemd, omdat het verantwoordelijk is voor het verzenden van gegevens die afkomstig zijn van het “veld” naar de controller.
‘Veld’ is een diepgaande professionele term die verwijst naar het feit dat bepaalde apparatuur (bijvoorbeeld sensoren of actuatoren) waarmee de controller samenwerkt, zich ergens ver, ver weg bevindt, op straat, in de velden, onder dekking van de nacht . En het maakt niet uit dat de sensor zich op een halve meter van de controller kan bevinden en bijvoorbeeld de temperatuur in een automatiseringskast kan meten, er wordt nog steeds van uitgegaan dat deze zich ‘in het veld’ bevindt. Meestal leggen signalen van sensoren die bij I/O-modules aankomen nog steeds afstanden af van tientallen tot honderden meters (en soms meer), waarbij ze informatie verzamelen van afgelegen locaties of apparatuur. Daarom wordt de uitwisselingsbus, waarmee de controller waarden van dezelfde sensoren ontvangt, meestal een veldbus genoemd, of, minder gebruikelijk, een bus op een lager niveau of een industriële bus.
Algemeen schema voor de automatisering van een industriële faciliteit
Het elektrische signaal van de sensor legt dus een bepaalde afstand af langs kabellijnen (meestal langs een gewone koperen kabel met een bepaald aantal aders), waarop meerdere sensoren zijn aangesloten. Het signaal komt vervolgens de verwerkingsmodule (invoer/uitvoermodule) binnen, waar het wordt omgezet in een digitale taal die begrijpelijk is voor de controller. Vervolgens gaat dit signaal via de veldbus rechtstreeks naar de controller, waar het uiteindelijk wordt verwerkt. Op basis van dergelijke signalen wordt de bedieningslogica van de microcontroller zelf gebouwd.
Topniveau: van een slinger tot een hele werkplek
Het bovenste niveau wordt alles genoemd wat kan worden aangeraakt door een gewone sterfelijke operator die het technologische proces bestuurt. In het eenvoudigste geval bestaat het bovenste niveau uit een reeks lampjes en knoppen. Gloeilampen signaleren de operator over bepaalde gebeurtenissen die zich in het systeem voordoen, knoppen worden gebruikt om opdrachten aan de controller te geven. Dit systeem wordt vaak een “slinger” of “kerstboom” genoemd omdat het erg op elkaar lijkt (zoals je kunt zien op de foto aan het begin van het artikel).
Als de operator meer geluk heeft, krijgt hij op het hoogste niveau een bedieningspaneel: een soort flatpanelcomputer die op de een of andere manier gegevens ontvangt voor weergave van de controller en deze op het scherm weergeeft. Zo'n paneel wordt meestal op de automatiseringskast zelf gemonteerd, dus je moet er meestal staand mee communiceren, wat ongemak veroorzaakt, en de kwaliteit en grootte van het beeld op kleinformaatpanelen laat veel te wensen over.
En tot slot een aantrekkingskracht van ongekende generositeit: een werkstation (of zelfs meerdere duplicaten), dat een gewone personal computer is.
Apparatuur op een hoger niveau moet op de een of andere manier communiceren met de microcontroller (waarom is dit anders nodig?). Voor dergelijke interactie worden protocollen op het hoogste niveau en een bepaald transmissiemedium gebruikt, bijvoorbeeld Ethernet of UART. In het geval van de "Kerstboom" zijn dergelijke verfijningen natuurlijk niet nodig; de gloeilampen worden aangestoken via gewone fysieke lijnen, er zijn geen geavanceerde interfaces of protocollen.
Over het algemeen is dit bovenste niveau minder interessant dan de veldbus, omdat dit bovenste niveau misschien helemaal niet bestaat (er is voor de operator niets uit de serie om naar te kijken; de controller zelf zal uitzoeken wat er moet gebeuren en hoe ).
“Oude” protocollen voor gegevensoverdracht: Modbus en HART
Weinig mensen weten het, maar op de zevende dag van de schepping van de wereld rustte God niet, maar schiep Modbus. Samen met het HART-protocol is Modbus misschien wel het oudste protocol voor industriële gegevensoverdracht; het verscheen in 1979.
De seriële interface werd aanvankelijk gebruikt als transmissiemedium, daarna werd Modbus via TCP/IP geïmplementeerd. Dit is een synchroon master-slave-protocol (master-slave) dat gebruikmaakt van het request-response-principe. Het protocol is behoorlijk omslachtig en traag, de uitwisselingssnelheid hangt af van de kenmerken van de ontvanger en zender, maar meestal bedraagt het aantal bijna honderden milliseconden, vooral wanneer het via een seriële interface wordt geïmplementeerd.
Bovendien is het Modbus-gegevensoverdrachtregister 16-bit, wat onmiddellijk beperkingen oplegt aan de overdracht van echte en dubbele typen. Ze worden in delen of met verlies aan nauwkeurigheid verzonden. Hoewel Modbus nog steeds veel wordt gebruikt in gevallen waarin hoge communicatiesnelheden niet nodig zijn en het verlies van verzonden gegevens niet kritisch is. Veel fabrikanten van verschillende apparaten willen het Modbus-protocol op hun eigen exclusieve en zeer originele manier uitbreiden door niet-standaardfuncties toe te voegen. Daarom heeft dit protocol veel mutaties en afwijkingen van de norm, maar leeft het nog steeds met succes in de moderne wereld.
Het HART-protocol bestaat ook al sinds de jaren tachtig, het is een industrieel communicatieprotocol via een tweedraads stroomluslijn die 4-20 mA-sensoren en andere HART-compatibele apparaten rechtstreeks met elkaar verbindt.
Voor het schakelen van HART-lijnen worden speciale apparaten, zogenaamde HART-modems, gebruikt. Er zijn ook converters die de gebruiker aan de uitgang voorzien van bijvoorbeeld het Modbus-protocol.
HART valt wellicht op doordat naast de analoge signalen van 4-20 mA sensoren ook het digitale signaal van het protocol zelf in de schakeling wordt doorgegeven, hierdoor kun je de digitale en analoge delen in één kabellijn verbinden. Moderne HART-modems kunnen worden aangesloten op de USB-poort van de controller, via Bluetooth of op de ouderwetse manier via een seriële poort. Een tiental jaar geleden verscheen, naar analogie met Wi-Fi, de WirelessHART draadloze standaard, opererend in het ISM-bereik.
Tweede generatie protocollen of niet helemaal industriële bussen ISA, PCI(e) en VME
De Modbus- en HART-protocollen zijn vervangen door niet echt industriële bussen, zoals ISA (MicroPC, PC/104) of PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), evenals VME.
Het tijdperk van computers is aangebroken die over een universele databus beschikken, waarop verschillende borden (modules) kunnen worden aangesloten om een bepaald uniform signaal te verwerken. In de regel wordt in dit geval de processormodule (computer) in het zogenaamde frame geplaatst, wat zorgt voor interactie via de bus met andere apparaten. Het frame, of, zoals echte automatiseringsexperts het graag noemen, ‘krat’, wordt aangevuld met de nodige input-output-kaarten: analoog, discreet, interface, etc., of dit alles wordt samengevoegd in de vorm van een sandwich zonder een frame - het ene bord op het andere. Daarna wisselt deze variant op de bus (ISA, PCI, etc.) gegevens uit met de processormodule, die zo informatie van de sensoren ontvangt en enige logica implementeert.
Controller- en I/O-modules in een PXI-frame op een PCI-bus. Bron:
Met deze ISA-, PCI(e)- en VME-bussen zou alles goed komen, zeker voor die tijd: de uitwisselingssnelheid valt niet tegen, en de systeemcomponenten bevinden zich in één frame, compact en handig, er is mogelijk geen hot-swappable I/O-kaarten, maar dat wil ik nog niet echt.
Maar er zit een vlieg in de zalf, en meer dan één. Het is nogal moeilijk om een gedistribueerd systeem in een dergelijke configuratie te bouwen, de uitwisselingsbus is lokaal, je moet iets bedenken om gegevens uit te wisselen met andere slave- of peer-nodes, dezelfde Modbus via TCP/IP of een ander protocol, in Over het algemeen zijn er niet genoeg gemakken. Het tweede is niet erg prettig: I/O-kaarten verwachten meestal een soort uniform signaal als invoer, en ze hebben geen galvanische isolatie van veldapparatuur, dus je moet een hek maken van verschillende conversiemodules en tussencircuits. wat de elementbasis enorm bemoeilijkt.
Tussensignaalconversiemodules met galvanische scheiding. Bron:
“Hoe zit het met het industriële busprotocol?” - je vraagt. Niets. Het bestaat niet in deze implementatie. Via kabellijnen gaat het signaal van sensoren naar signaalomzetters, de omzetters leveren spanning aan een discrete of analoge I/O-kaart, en de gegevens van de kaart worden al via de I/O-poorten gelezen met behulp van het besturingssysteem. En geen gespecialiseerde protocollen.
Hoe moderne industriële bussen en protocollen werken
Wat nu? Tot op heden is de klassieke ideologie van het bouwen van geautomatiseerde systemen enigszins veranderd. Er speelden veel factoren een rol, te beginnen met het feit dat automatisering ook handig moet zijn, en eindigend met de trend naar gedistribueerde geautomatiseerde systemen met knooppunten op afstand van elkaar.
Misschien kunnen we zeggen dat er tegenwoordig twee hoofdconcepten zijn voor gebouwautomatiseringssystemen: gelokaliseerde en gedistribueerde geautomatiseerde systemen.
In het geval van gelokaliseerde systemen, waarbij de gegevensverzameling en -controle op één specifieke locatie zijn gecentraliseerd, is er vraag naar het concept van een bepaald stel invoer-/uitvoermodules die onderling zijn verbonden door een gemeenschappelijke snelle bus, inclusief een controller met een eigen uitwisselingsprotocol. In dit geval bevatten I/O-modules in de regel zowel een signaalomvormer als galvanische isolatie (hoewel dit uiteraard niet altijd gebeurt). Dat wil zeggen dat het voor de eindgebruiker voldoende is om te begrijpen welke soorten sensoren en mechanismen in het geautomatiseerde systeem aanwezig zullen zijn, het aantal vereiste invoer-/uitvoermodules voor verschillende soorten signalen te tellen en deze op één gemeenschappelijke lijn met de controller aan te sluiten. . In dit geval gebruikt elke fabrikant in de regel zijn favoriete uitwisselingsprotocol tussen I/O-modules en de controller, en er kunnen hier veel opties zijn.
In het geval van gedistribueerde systemen is alles wat gezegd wordt met betrekking tot gelokaliseerde systemen waar. Bovendien is het belangrijk dat individuele componenten, bijvoorbeeld een set invoer-uitvoermodules plus een apparaat voor het verzamelen en verzenden van informatie - een niet Een zeer slimme microcontroller die ergens in een hokje in het veld staat, naast de klep die de olie afsluit, zou kunnen communiceren met dezelfde knooppunten en met de hoofdcontroller op grote afstand met een effectieve wisselkoers.
Hoe kiezen ontwikkelaars een protocol voor hun project? Alle moderne uitwisselingsprotocollen leveren redelijk hoge prestaties, dus de keuze voor de ene of de andere fabrikant wordt vaak niet bepaald door de wisselkoers op deze zeer industriële bus. De implementatie van het protocol zelf is niet zo belangrijk, omdat het vanuit het perspectief van de systeemontwikkelaar nog steeds een black box zal zijn die een bepaalde interne uitwisselingsstructuur biedt en niet is ontworpen voor inmenging van buitenaf. Meestal wordt aandacht besteed aan praktische kenmerken: de prestaties van de computer, het gemak waarmee het concept van de fabrikant kan worden toegepast op de uit te voeren taak, de beschikbaarheid van de vereiste typen I/O-modules, de mogelijkheid om modules hot-swappable te maken zonder te breken de bus, enz.
Populaire leveranciers van apparatuur bieden hun eigen implementaties van industriële protocollen aan: het bekende bedrijf Siemens ontwikkelt bijvoorbeeld zijn serie Profinet- en Profibus-protocollen, B&R ontwikkelt het Powerlink-protocol, Rockwell Automation ontwikkelt het EtherNet/IP-protocol. Een binnenlandse oplossing in deze lijst met voorbeelden: een versie van het FBUS-protocol van het Russische bedrijf Fastwel.
Er zijn ook meer universele oplossingen die niet gebonden zijn aan een specifieke fabrikant, zoals EtherCAT en CAN. We zullen deze protocollen in detail analyseren in het vervolg van het artikel en uitzoeken welke ervan beter geschikt zijn voor specifieke toepassingen: de auto- en ruimtevaartindustrie, de productie van elektronica, positioneringssystemen en robotica. Blijf in contact!
Bron: www.habr.com