Na pewno wielu z Was wie, a nawet widziało, jak steruje się dużymi zautomatyzowanymi obiektami, na przykład elektrownią jądrową czy fabryką z wieloma ciągami technologicznymi: główna akcja często rozgrywa się w dużym pomieszczeniu, z wiązką ekranów, żarówek i piloty zdalnego sterowania. Ten kompleks kontrolny jest zwykle nazywany dyspozytornią główną - głównym panelem kontrolnym do sterowania obiektem produkcyjnym.
Na pewno zastanawiałeś się, jak to wszystko działa od strony sprzętowej i programowej, czym różnią się te systemy od zwykłych komputerów osobistych. W tym artykule przyjrzymy się, w jaki sposób różne dane trafiają do dyspozytorni głównej, w jaki sposób wydawane są polecenia urządzeniom oraz co ogólnie jest potrzebne do sterowania tłocznią, jednostką do produkcji propanu, linią montażową samochodów, a nawet zespół przepompowni ścieków.
Dolna warstwa lub magistrala polowa to miejsce, w którym wszystko się zaczyna
Ten zestaw słów, niejasny dla niewtajemniczonych, jest używany, gdy konieczne jest opisanie sposobu komunikacji mikrokontrolerów z podległym im sprzętem, na przykład modułami I/O lub urządzeniami pomiarowymi. Zazwyczaj ten kanał komunikacji nazywany jest „magistralą polową”, ponieważ odpowiada za przesyłanie do sterownika danych pochodzących z „pola”.
„Pole” to głęboki termin fachowy, który odnosi się do tego, że jakiś sprzęt (na przykład czujniki czy siłowniki), z którym współpracuje sterownik, znajduje się gdzieś daleko, na ulicy, na polach, pod osłoną nocy. I nieważne, że czujnik można ustawić pół metra od sterownika i mierzyć np. temperaturę w szafie automatyki, to i tak uważa się, że jest „w terenie”. Najczęściej sygnały z czujników, które docierają do modułów I/O wciąż pokonują odległości od dziesiątek do setek metrów (a czasem więcej), zbierając informacje z odległych miejsc lub sprzętu. Właściwie więc magistrala wymiany, za pośrednictwem której sterownik otrzymuje wartości z tych samych czujników, nazywana jest zwykle magistralą polową lub rzadziej magistralą niższego poziomu lub magistralą przemysłową.
Ogólny schemat automatyki obiektu przemysłowego
Tak więc sygnał elektryczny z czujnika pokonuje określoną odległość wzdłuż linii kablowych (zwykle wzdłuż konwencjonalnego kabla miedzianego o określonej liczbie rdzeni), do których podłączonych jest kilka czujników. Następnie sygnał trafia do modułu przetwarzającego (modułu wejścia-wyjścia), gdzie jest przetwarzany na zrozumiały dla sterownika język cyfrowy. Ponadto sygnał ten trafia bezpośrednio do sterownika przez magistralę polową, gdzie jest ostatecznie przetwarzany. Na podstawie takich sygnałów budowana jest logika samego mikrokontrolera.
Najwyższy poziom: od girlandy po całe stanowisko pracy
Najwyższy poziom to wszystko, czego może dotknąć zwykły śmiertelny operator, który kontroluje proces. W najprostszym przypadku najwyższy poziom to zestaw żarówek i przycisków. Żarówki sygnalizują operatorowi o niektórych zdarzeniach zachodzących w systemie, przyciski służą do wydawania poleceń sterownikowi. Taki system jest często nazywany „girlandą” lub „choinką”, ponieważ wygląda bardzo podobnie (co widać na zdjęciu na początku artykułu).
Jeśli operator ma więcej szczęścia, to jako najwyższy poziom dostanie panel operatora - rodzaj płaskiego komputera, który w jakiś sposób odbiera dane do wyświetlenia ze sterownika i wyświetla je na ekranie. Panel taki montowany jest zwykle na samej szafie automatyki, więc zazwyczaj trzeba z nim wchodzić w interakcję stojąc, co powoduje niedogodności, a jakość i wielkość obrazu na panelach małoformatowych pozostawia wiele do życzenia.
I wreszcie atrakcja o niespotykanej hojności - stacja robocza (lub nawet kilka duplikatów), którą jest zwykły komputer osobisty.
Sprzęt najwyższego poziomu musi w jakiś sposób współdziałać z mikrokontrolerem (w przeciwnym razie po co jest potrzebny?). Do takiej interakcji wykorzystywane są protokoły wyższego poziomu i określone medium transmisyjne, na przykład Ethernet lub UART. W przypadku choinki oczywiście takie udoskonalenia nie są potrzebne, żarówki zapalane są zwykłymi liniami fizycznymi, nie ma tam wyrafinowanych interfejsów i protokołów.
Ogólnie ten najwyższy poziom jest mniej interesujący niż magistrala, ponieważ ten najwyższy poziom może w ogóle nie istnieć (operator nie ma nic do oglądania z serii, kontroler wymyśli, co robić i jak).
„Starożytne” protokoły przesyłania danych: Modbus i HART
Niewiele osób wie, ale siódmego dnia stworzenia świata Bóg nie odpoczął, ale stworzył Modbus. Wraz z protokołem HART, Modbus jest prawdopodobnie najstarszym przemysłowym protokołem komunikacyjnym, pojawił się już w 1979 roku.
Interfejs szeregowy był początkowo używany jako medium transmisyjne, następnie zaimplementowano Modbus poprzez TCP/IP. Jest to synchroniczny protokół master-slave (master-slave), który wykorzystuje zasadę żądanie-odpowiedź. Protokół jest dość ciężki i powolny, kurs wymiany zależy od charakterystyki odbiornika i nadajnika, ale zwykle wynik to prawie setki milisekund, zwłaszcza gdy jest realizowany przez interfejs szeregowy.
Ponadto rejestr przesyłania danych Modbus jest 16-bitowy, co od razu nakłada ograniczenia na przesyłanie typów rzeczywistych i podwójnych. Są one przekazywane w częściach lub z utratą dokładności. Chociaż Modbus jest nadal szeroko stosowany w przypadkach, gdy nie jest potrzebny wysoki kurs wymiany, a utrata przesyłanych danych nie jest krytyczna. Wielu producentów różnych urządzeń lubi rozszerzać protokół Modbus na swój unikalny i bardzo oryginalny sposób, dodając niestandardowe funkcje. Dlatego ten protokół ma wiele mutacji i odchyleń od normy, ale nadal z powodzeniem żyje we współczesnym świecie.
Protokół HART istnieje również od lat 4. XX wieku. Jest to przemysłowy protokół komunikacyjny wykorzystujący dwuprzewodową pętlę prądową, która bezpośrednio łączy przetworniki 20-XNUMX mA i inne urządzenia obsługujące protokół HART.
Do przełączania linii HART służą specjalne urządzenia, tzw. modemy HART. Są też konwertery, które na wyjściu udostępniają użytkownikowi np. protokół Modbus.
HART jest być może godny uwagi, ponieważ oprócz sygnałów analogowych czujników 4-20 mA w obwodzie przesyłany jest również sygnał cyfrowy samego protokołu, co pozwala na połączenie części cyfrowej i analogowej w jednym kablu linia. Nowoczesne modemy HART można podłączyć do portu USB sterownika, połączyć przez Bluetooth lub po staremu przez port szeregowy. Dekadę temu, analogicznie do Wi-Fi, pojawił się bezprzewodowy standard WirelessHART, działający w paśmie ISM.
Druga generacja protokołów czyli nie do końca przemysłowe magistrale ISA, PCI(e) oraz VME
Protokoły Modbus i HART zostały zastąpione przez magistrale nieprzemysłowe, takie jak ISA (MicroPC, PC/104) czy PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), a także VME.
Nadeszła era kalkulatorów, mających do dyspozycji uniwersalną magistralę przesyłu danych, na której można łączyć różne płytki (moduły) w celu przetworzenia pewnego zunifikowanego sygnału. Z reguły w tym przypadku moduł procesora (komputer) jest wkładany do tak zwanej ramki, która zapewnia interakcję magistrali z innymi urządzeniami. Ramka, czy jak lubią to nazywać prawdziwi automatycy, „skrzynka”, uzupełniona jest o niezbędne płytki I/O: analogowe, dyskretne, interfejsowe itp., albo wszystko to sklejone w formie kanapki bez rama - jedna deska nad drugą. Następnie ta odmiana na magistrali (ISA, PCI itp.) komunikuje się z modułem procesora, który w ten sposób odbiera informacje z czujników i realizuje jakąś logikę.
Kontroler i moduły I/O w ramce PXI na szynie PCI. Źródło:
Z tymi magistralami ISA, PCI(e) i VME wszystko byłoby w porządku, zwłaszcza na tamte czasy: kurs wymiany nie zaburza, a komponenty systemu znajdują się w jednej ramce, zwartej i wygodnej, może nie być hot swapingu I/O karty, ale nadal nie bardzo chce.
Ale w maści jest mucha, a nie jedna. Raczej trudno zbudować system rozproszony w takiej konfiguracji, magistrala wymiany jest lokalna, trzeba wymyślić coś do wymiany danych z innymi węzłami slave lub peer, tym samym Modbus przez TCP/IP lub jakimś innym protokołem, w Ogólnie rzecz biorąc, nie ma wystarczającej liczby udogodnień. Cóż, druga rzecz nie jest zbyt przyjemna: płytki I/O zwykle czekają na jakiś zunifikowany sygnał na wejście, a nie mają izolacji galwanicznej z urządzeniami polowymi, więc trzeba ogrodzić ogród z różnymi modułami konwersji i obwodami pośrednimi, które znacznie komplikuje podstawę elementu.
Moduły konwersji sygnałów pośrednich z izolacją galwaniczną. Źródło:
„A co z protokołem komunikacji Fieldbus?” - ty pytasz. Ale nic. Nie istnieje w tej implementacji. Liniami kablowymi sygnał przechodzi z czujników do przetworników sygnału, przetworniki wyprowadzają napięcie do dyskretnej lub analogowej płytki I/O, a dane z płytki są już odczytywane przez porty I/O za pomocą systemu operacyjnego . I żadnych specjalistycznych protokołów.
Jak działają nowoczesne magistrale i protokoły przemysłowe
Co teraz? Do tej pory klasyczna ideologia budowania zautomatyzowanych systemów nieco się zmieniła. Wiele czynników odegrało rolę, począwszy od tego, że automatyzacja powinna być również wygodna, a skończywszy na trendzie w kierunku rozproszonych zautomatyzowanych systemów z węzłami oddalonymi od siebie.
Być może można powiedzieć, że obecnie istnieją dwie główne koncepcje systemów automatyki budynkowej: zlokalizowane i rozproszone systemy automatyczne.
W przypadku systemów zlokalizowanych, w których gromadzenie i sterowanie danymi są scentralizowane w jednym określonym miejscu, pożądana jest koncepcja pewnego zestawu modułów I/O połączonych wspólną szybką magistralą, w tym kontrolera z własnym protokołem wymiany. W tym przypadku z reguły moduły I / O zawierają zarówno przetwornik sygnału, jak i izolację galwaniczną (choć oczywiście nie zawsze). Oznacza to, że wystarczy, aby użytkownik końcowy zrozumiał, jakie typy czujników i mechanizmów będą obecne w zautomatyzowanym systemie, policzył liczbę wymaganych modułów I/O dla różnych typów sygnałów i podłączył je w jedną wspólną linię ze sterownikiem . W tym przypadku z reguły każdy producent stosuje swój ulubiony protokół wymiany między modułami I/O a sterownikiem, a opcji może być bardzo dużo.
W przypadku systemów rozproszonych wszystko, co zostało powiedziane o systemach zlokalizowanych, jest prawdą, z wyjątkiem tego, że ważne jest, aby poszczególne komponenty, na przykład zestaw modułów I/O plus urządzenie do zbierania i przesyłania informacji - niezbyt Inteligentny mikrokontroler, który stoi gdzieś w budce w terenie, obok dźwigu odcinającego olej, mógłby współpracować z tymi samymi węzłami iz głównym sterownikiem na dużą odległość z efektywnym kursem wymiany.
W jaki sposób programiści wybierają protokół dla swojego projektu? Wszystkie nowoczesne protokoły wymiany zapewniają dość dużą prędkość, dlatego często wybór konkretnego producenta nie jest determinowany kursem wymiany na tej samej szynie przemysłowej. Implementacja samego protokołu nie jest tak istotna, ponieważ z punktu widzenia twórcy systemu nadal będzie to czarna skrzynka, która zapewnia pewną wewnętrzną strukturę wymiany i nie jest przeznaczona do ingerencji z zewnątrz. Najczęściej zwraca się uwagę na cechy praktyczne: wydajność kalkulatora, wygoda zastosowania koncepcji producenta do zadania, dostępność wymaganych typów modułów wejścia-wyjścia, możliwość wymiany modułów bez przerywania magistrali itp.
Popularni dostawcy sprzętu oferują własne implementacje protokołów przemysłowych: na przykład znana firma Siemens rozwija swoją serię protokołów Profinet i Profibus, B&R rozwija protokół Powerlink, Rockwell Automation rozwija protokół EtherNet/IP. Krajowe rozwiązanie na tej liście przykładów: wersja protokołu FBUS rosyjskiej firmy Fastwel.
Istnieją również rozwiązania bardziej uniwersalne, niezwiązane z konkretnym producentem, takie jak EtherCAT i CAN. Szczegółowo przeanalizujemy te protokoły w dalszej części tego artykułu i zobaczymy, które najlepiej nadają się do określonych zastosowań: motoryzacja, lotnictwo, elektronika, systemy pozycjonowania i robotyka. Pozostać w kontakcie!
Źródło: www.habr.com