Z pewnością wielu z was zna lub nawet widziało, jak zarządzane są duże zautomatyzowane obiekty, na przykład elektrownia atomowa albo fabryka z wieloma liniami technologicznymi: główne działania często odbywają się w dużym pomieszczeniu, z mnóstwem ekranów, żarówek i paneli sterujących. Ten kompleks zarządzania zazwyczaj nazywa się GŚU – głównym systemem zarządzania dla kontroli nad obiektem produkcyjnym.
Z pewnością zastanawialiście się, jak to wszystko działa z punktu widzenia sprzętowego i programowego, czym te systemy różnią się od zwykłych komputerów osobistych. W tym artykule przyjrzymy się, jak różne dane trafiają do GŚU, jak wydawane są polecenia dla urządzeń i co w zasadzie jest potrzebne do zarządzania stacją sprężarkową, instalacją produkcji propanu, linią produkcyjną samochodów czy nawet stacją pomp kanalizacyjnych.
Dolny poziom lub magistrala polowa – to, od czego wszystko się zaczyna
Ten niejasny dla niezorientowanych zestaw słów używany jest, gdy trzeba opisać środki komunikacji mikrokontrolerów z podłączonym sprzętem, na przykład z modułami wejścia-wyjścia lub urządzeniami pomiarowymi. Zazwyczaj ten kanał komunikacji nazywa się „magistralą polową”, ponieważ odpowiada za przesyłanie do kontrolera danych, które pochodzą z „pola”.
„Pole” – to głęboki termin zawodowy, oznaczający fakt, że jakieś urządzenie (na przykład czujniki lub mechanizmy wykonawcze), z którym współdziała kontroler, znajduje się gdzieś daleko, na zewnątrz, w polach, pod osłoną nocy. I nie ma znaczenia, że czujnik może znajdować się w odległości pół metra od kontrolera i mierzyć na przykład temperaturę w szafie automatyki, nadal uważa się, że jest „w polu”. Najczęściej sygnały z czujników, które trafiają do modułów wejścia-wyjścia, pokonują jednak odległości od dziesiątek do setek metrów (a czasami i więcej), zbierając informacje z odległych placówek czy urządzeń. Właśnie dlatego szyna wymiany, po której kontroler odbiera wartości z tych czujników, zazwyczaj nazywana jest magistralą polową lub rzadziej magistralą dolnego poziomu albo przemysłową magistralą.
Ogólna schemat automatyzacji obiektu przemysłowego
Zatem sygnał elektryczny z czujnika przebywa pewną odległość po liniach kablowych (częściej po zwykłym miedzianym kablu z pewną liczbą żył), do których podłączonych jest kilka czujników. Następnie sygnał trafia do modułu przetwarzania (moduł wejścia-wyjścia), gdzie przekształcany jest w zrozumiały dla kontrolera język cyfrowy. Dalej ten sygnał przez magistralę polową trafia bezpośrednio do kontrolera, gdzie jest ostatecznie przetwarzany. Na podstawie takich sygnałów tworzona jest logika działania samego mikroprocesora.
Poziom górny: od girlandy do całej stacji roboczej
Poziom górny nazywa się tym wszystkim, co może dotknąć zwykły operator, który zarządza procesem technologicznym. W najprostszym przypadku poziom górny składa się z zestawu lampek i przycisków. Lampki sygnalizują operatorowi o pewnych wydarzeniach w systemie, a przyciski służą do wydawania poleceń kontrolerowi. Taki system często nazywa się 'girlandą' lub 'choinką', ponieważ wygląda bardzo podobnie (jak można zobaczyć na zdjęciu na początku artykułu).
Jeśli operator ma więcej szczęścia, jego poziom górny to panel operatorski — pewnego rodzaju komputer płaskoekranowy, który w taki czy inny sposób uzyskuje dane do wyświetlenia od kontrolera i przedstawia je na ekranie. Taki panel zazwyczaj montowany jest na samej szafie automatyki, dlatego interakcja z nim odbywa się zazwyczaj w pozycji stojącej, co powoduje pewne niedogodności, a jakość i rozmiar obrazu na małoformatowych panelach pozostawiają wiele do życzenia.
I wreszcie, atrakcja nieznanej hojności — stacja robocza (a nawet kilka duplikujących), będąca zwykłym komputerem osobistym.
Sprzęt górnego poziomu musi w jakiś sposób współdziałać z mikroprocesorem (w przeciwnym razie po co byłby potrzebny?). Do takiej interakcji wykorzystuje się protokoły górnego poziomu i pewne medium transmisyjne, na przykład Ethernet lub UART. W przypadku 'choinki' takich wyrafinowanych rozwiązań oczywiście nie potrzeba, lampki zapalają się przy użyciu zwykłych linii fizycznych, nie ma tam żadnych skomplikowanych interfejsów ani protokołów.
Generalnie, ten najwyższy poziom jest mniej interesujący niż szyna polowa, ponieważ tego najwyższego poziomu może w ogóle nie być (z serii nie ma czego tam pokazywać operatorowi, kontroler sam zrozumie, co i jak należy zrobić).
„Starożytne” protokoły transmisji danych: Modbus i HART
Mało kto wie, ale w siódmy dzień stworzenia świata Bóg nie odpoczywał, lecz tworzył Modbus. Obok protokołu HART, Modbus jest chyba najstarszym przemysłowym protokołem transmisji danych, powstał bowiem już w 1979 roku.
Na początku jako medium transmisyjnym wykorzystywano interfejs szeregowy, następnie Modbus zaimplementowano na TCP/IP. To protokół synchronizacyjny w schemacie „master-slave” (główny-podległy), w którym stosuje się zasadę „zapytanie-odpowiedź”. Protokół jest dość ciężki i wolny, prędkość wymiany zależy od charakterystyki odbiornika i nadajnika, ale zazwyczaj czas wymiany to prawie setki milisekund, szczególnie w przypadku realizacji przez interfejs szeregowy.
Co więcej, rejestr transmisji danych Modbus jest 16-bitowy, co od razu narzuca ograniczenia na przesyłanie typów real i double. Są one przesyłane albo częściowo, albo z utratą precyzji. Chociaż Modbus wciąż powszechnie stosuje się w przypadkach, gdy nie jest potrzebna wysoka prędkość wymiany, a utrata przesyłanych danych nie jest krytyczna. Wielu producentów różnych urządzeń lubi rozszerzać protokół Modbus w swój wyjątkowy i bardzo oryginalny sposób, dodając niestandardowe funkcje. Dlatego ten protokół ma wiele mutacji i odchyleń od normy, ale nadal pomyślnie żyje w nowoczesnym świecie.
Protokół HART również istnieje od lat osiemdziesiątych, to przemysłowy protokół wymiany na dwutorowej linii pętli prądowej, do której bezpośrednio podłączane są czujniki 4-20 mA i inne urządzenia obsługujące protokół HART.
Do komunikacji linii HART używane są specjalne urządzenia, tak zwane modemy HART. Istnieją również konwertery, które na wyjściu dostarczają użytkownikowi już, na przykład, protokół Modbus.
HART jest wyjątkowy, ponieważ oprócz sygnałów analogowych z czujników 4-20 mA, przesyła również sygnał cyfrowy samego protokołu, co pozwala na połączenie części cyfrowej i analogowej w jednej linii kablowej. Nowoczesne modemy HART mogą być podłączane do portu USB kontrolera, łączyć się przez Bluetooth lub tradycyjnie przez port szeregowy. Kilka lat temu, w analogii do Wi-Fi, pojawił się również bezprzewodowy standard WirelessHART działający w paśmie ISM.
Drugie pokolenie protokołów lub nie do końca przemysłowe magistrale ISA, PCI(e) i VME
Zamiast protokołów Modbus i HART pojawiły się nie do końca przemysłowe magistrale, takie jak ISA (MicroPC, PC/104) lub PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), a także VME.
Nastała era komputerów, które mają do dyspozycji uniwersalną magistralę przesyłania danych, do której można podłączać różne płyty (moduły) do przetwarzania jakiegoś ujednoliconego sygnału. Zazwyczaj w takim przypadku moduł procesora (komputer) wkłada się w tak zwany szkielet, który zapewnia interakcję przez magistralę z innymi urządzeniami. Szkielet, lub jak nazywają to prawdziwi automatyzatorzy, 'crate', jest uzupełniany o niezbędne karty I/O: analogowe, dyskretne, interfejsowe itp., lub całe to zestawienie jest łączone w formie kanapki bez szkieletu — jedna karta nad drugą. Po czym ta różnorodność na magistrali (ISA, PCI itp.) wymienia dane z modułem procesora, który w ten sposób uzyskuje informacje z czujników i realizuje pewną logikę.
Kontroler i moduły I/O w szkieletach PXI na magistrali PCI. Źródło:
To nie byłoby nic złego z tymi magistralami ISA, PCI(e) i VME, szczególnie w tamtych czasach: prędkość wymiany nie była rozczarowująca, a komponenty systemu były umieszczone w jednym szkieletach, kompaktowo i wygodnie; nie było może możliwości gorącej wymiany kart I/O, ale na razie jeszcze nie było też takiej potrzeby.
Ale jest łyżka dziegciu, i nie jedna. Zbudowanie rozproszonego systemu w takiej konfiguracji jest dość trudne, lokalna szyna komunikacyjna wymaga zastosowania jakiegoś sposobu wymiany danych z innymi podrzędnymi lub równorzędnymi węzłami, tym samym Modbus przez TCP/IP lub innym protokołem, ogólnie rzecz biorąc, komfortów jest mało. A druga, też niezbyt przyjemna sprawa: płytki wejścia-wyjścia zazwyczaj oczekują na wejściu jakiegoś ujednoliconego sygnału, a nie mają galwanicznej izolacji z urządzeniami polowymi, dlatego trzeba budować ogród z różnych modułów konwersji i pośrednich układów, co znacznie utrudnia podstawę elementów.
Moduły pośredniczące konwersji sygnału z galwaniczną izolacją. Źródło:
"A co z protokołem wymiany na przemysłowej szynie?" — zapytacie. A nic. Nie ma go w takiej realizacji. Przez linie kablowe sygnał trafia z czujników do konwerterów sygnałów, konwertery wydają napięcie na dyskretnej lub analogowej płycie wejścia-wyjścia, a dane z płyty już są odczytywane przez porty wejścia/wyjścia, środkami systemu operacyjnego. I żadnych wyspecjalizowanych protokołów.
Jak działają nowoczesne przemysłowe szyny i protokoły
A co teraz? Do dzisiejszego dnia klasyczna ideologia budowania zautomatyzowanych systemów nieco się zmieniła. Wpłynęło na to wiele czynników, począwszy od tego, że automatyzacja również musi być wygodna, a skończywszy na tendencji do rozproszonych zautomatyzowanych systemów z węzłami oddalonymi od siebie.
Można powiedzieć, że obecnie istnieją dwie główne koncepcje budowania systemów automatyzacji: zlokalizowane i rozproszone zautomatyzowane systemy.
W przypadku systemów zlokalizowanych, gdzie zbieranie danych i zarządzanie są centralizowane w jednym konkretnym miejscu, popularna jest koncepcja zestawu modułów wejścia-wyjścia, połączonych wspólną szybką magistralą, w tym kontrolerem z własnym protokołem wymiany. Zazwyczaj moduły wejścia-wyjścia obejmują również przetwornik sygnału i izolację galwaniczną (choć oczywiście nie zawsze). Konsument końcowy musi jedynie zrozumieć, jakie typy czujników i mechanizmów będą obecne w zautomatyzowanym systemie, policzyć liczbę wymaganych modułów wejścia-wyjścia dla różnych typów sygnałów i połączyć je w jedną wspólną linię z kontrolerem. W tym przypadku każdy producent zazwyczaj stosuje swój ulubiony protokół wymiany między modułami wejścia-wyjścia a kontrolerem, co daje wiele możliwości.
W przypadku systemów rozproszonych obowiązuje wszystko, co powiedziano na temat systemów zlokalizowanych, z wyjątkiem tego, że ważne jest, aby poszczególne elementy, takie jak zestaw modułów wejścia-wyjścia oraz urządzenie zbierające i przesyłające informacje — niezbyt inteligentny mikrokontroler, który znajduje się gdzieś w budce w polu, obok zaworu, który odcina ropę — mogły współpracować z podobnymi węzłami i z głównym kontrolerem na dużych odległościach przy efektywnej szybkości wymiany.
Jak programiści wybierają protokół dla swojego projektu? Wszystkie nowoczesne protokoły wymiany zapewniają dość wysoką wydajność, dlatego często wybór konkretnego producenta nie jest uzależniony od szybkości wymiany na tej samej magistrali przemysłowej. Realizacja samego protokołu również nie jest tak ważna, ponieważ z punktu widzenia programisty systemu będzie to i tak czarna skrzynka, która zapewnia pewną wewnętrzną strukturę wymiany i nie jest przeznaczona do zewnętrznej interwencji. Najczęściej zwraca się uwagę na praktyczne cechy: wydajność obliczeniową, łatwość zastosowania koncepcji producenta do postawionego zadania, dostępność potrzebnych typów modułów wejścia-wyjścia, możliwość wymiany modułów na gorąco bez przerywania magistrali itd.
Popularni dostawcy sprzętu oferują własne implementacje protokołów przemysłowych: na przykład, znana firma Siemens opracowuje swoją serię protokołów Profinet i Profibus, firma B&R – protokół Powerlink, a Rockwell Automation – protokół EtherNet/IP. Krajowe rozwiązanie w tej liście przykładów: wersja protokołu FBUS od rosyjskiej firmy Fastwel.
Są też bardziej uniwersalne rozwiązania, które nie są związane z konkretnym producentem, takie jak EtherCAT i CAN. Dokładnie omówimy te protokoły w dalszej części artykułu i zrozumiemy, które z nich są lepiej dostosowane do konkretnych zastosowań: w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, w produkcji elektroniki, w systemach pozycjonowania i robotyki. Zostańcie z nami!
Źródło: habr.com
