Provavelmente muitos de vocês conhecem ou até mesmo já viram como são geridos grandes objetos automatizados, como uma usina nuclear ou uma fábrica com múltiplas linhas de produção: a principal operação acontece frequentemente em uma grande sala, cheia de telas, luzes e painéis de controle. Este complexo de controle geralmente é chamado de GÇU — o quadro de controle principal para supervisão do objeto de produção.
Certamente vocês se perguntaram como tudo isso funciona do ponto de vista de hardware e software, e o que distingue esses sistemas dos computadores pessoais comuns. Neste artigo, vamos explorar como os diferentes dados chegam ao GÇU, como são enviados comandos ao equipamento, e o que é necessário para operar uma estação de compressão, uma instalação de produção de propano, uma linha de montagem de automóveis ou até mesmo uma estação de bombeamento de esgoto.
O nível inferior ou barramento de campo — o ponto de partida.
Esse conjunto de palavras, que pode parecer confuso para os não iniciados, é usado para descrever os meios de comunicação entre microcontroladores e equipamentos subordinados, como módulos de entrada e saída ou dispositivos de medição. Esse canal de comunicação é geralmente chamado de 'barramento de campo', pois ele é responsável por transmitir ao controlador os dados que vêm do 'campo'.
'Campo' é um termo profissional profundo que indica o fato de que algum equipamento (como sensores ou atuadores) com o qual o controlador interage está situado em algum lugar distante, ao ar livre, nos campos, sob a cobertura da noite. E não importa que o sensor possa estar a meio metro do controlador e medir, por exemplo, a temperatura em um armário de automação, ainda é considerado que ele está 'no campo'. Frequentemente, os sinais dos sensores, que chegam aos módulos de entrada e saída, percorrem distâncias de dezenas a centenas de metros (e às vezes mais), coletando informações de locais ou equipamentos remotos. É por isso que o barramento de troca, pelo qual o controlador recebe valores desses sensores, é normalmente chamado de barramento de campo ou, menos frequentemente, barramento de nível inferior ou barramento industrial.
Esquema geral de automação de um objeto industrial
Assim, o sinal elétrico do sensor percorre uma certa distância através de cabos (geralmente por cabos de cobre comuns com um número específico de fios), aos quais vários sensores estão conectados. Em seguida, o sinal chega ao módulo de processamento (módulo de entrada e saída), onde é convertido em uma linguagem digital compreensível para o controlador. Após isso, esse sinal é enviado diretamente ao controlador pela rede de campo, onde é processado de forma definitiva. A lógica de operação do microcontrolador é baseada nesses sinais.
Nível superior: de uma guirlanda a uma estação de trabalho completa
O nível superior refere-se a tudo o que pode ser tocado por um operador comum, que controla o processo tecnológico. No caso mais simples, o nível superior consiste em um conjunto de lâmpadas e botões. As lâmpadas sinalizam ao operador sobre eventos que ocorrem no sistema, enquanto os botões servem para enviar comandos ao controlador. Esse tipo de sistema é frequentemente chamado de 'guirlanda' ou 'árvore', pois se parece muito (como pode ser visto na foto no início do artigo).
Se o operador tiver mais sorte, o nível superior será um painel de operador — um computador de painel plano que recebe dados de alguma forma do controlador para exibi-los na tela. Esse painel costuma ser montado no próprio armário de automação, portanto, a interação geralmente é feita em pé, o que causa desconforto, além de que a qualidade e o tamanho da imagem em painéis pequenos deixam a desejar.
E, finalmente, a atração da generosidade sem precedentes — uma estação de trabalho (ou até várias duplicatas), que consiste em um computador pessoal comum.
O equipamento de nível superior deve interagir de alguma forma com o microcontrolador (caso contrário, para que serve?). Para essa interação, são utilizados protocolos de nível superior e um meio de transmissão, como Ethernet ou UART. No caso da 'árvore', tais sofisticações não são necessárias, as lâmpadas são acionadas utilizando linhas físicas comuns, sem interfaces ou protocolos complexos.
De modo geral, este nível superior é menos interessante do que o barramento de campo, uma vez que esse nível superior pode nem existir (da série nada para o operador visualizar, o controlador se encarrega de decidir o que e como fazer).
Protocolos de transmissão de dados "antigos": Modbus e HART
Poucos sabem, mas no sétimo dia da criação do mundo, Deus não descansou, mas criou o Modbus. Junto com o protocolo HART, o Modbus é, sem dúvida, o mais antigo protocolo industrial de transmissão de dados, surgindo em 1979.
Inicialmente, foi usado um interface serial como meio de transmissão, depois o Modbus foi implementado sobre TCP/IP. Este é um protocolo síncrono baseado na arquitetura "mestre-escravo", que utiliza o princípio "pedido-resposta". O protocolo é bastante pesado e lento, e a velocidade de troca depende das características do receptor e do transmissor, mas geralmente pode levar quase centenas de milissegundos, especialmente na implementação via interface serial.
Além disso, o registro de dados de transmissão Modbus é de 16 bits, o que impõe limitações imediatas à transmissão dos tipos real e double. Eles são transmitidos em partes ou com perda de precisão. Embora o Modbus ainda seja amplamente utilizado em situações onde alta velocidade de troca não é necessária e a perda de dados transmitidos não é crítica. Muitos fabricantes de diversos dispositivos gostam de expandir o protocolo Modbus de maneiras únicas e muito originais, adicionando funções não padronizadas. Portanto, este protocolo possui inúmeras mutações e desvios da norma, mas ainda assim se mantém vivo e próspero no mundo moderno.
O protocolo HART também existe desde a década de oitenta, sendo um protocolo de comunicação industrial sobre uma linha de dois fios de corrente, na qual sensores de 4-20 mA e outros instrumentos compatíveis com o protocolo HART são conectados diretamente.
Para a comutação das linhas HART, são utilizados dispositivos especiais, chamados de modems HART. Também existem conversores que fornecem ao usuário, por exemplo, o protocolo Modbus na saída.
O HART é notável, pois, além dos sinais analógicos dos sensores de 4-20 mA, um sinal digital do próprio protocolo é transmitido no circuito, permitindo conectar a parte digital e analógica em uma única linha de cabos. Os modernos modems HART podem ser conectados à porta USB do controlador, se conectar via Bluetooth, ou ainda pelo método tradicional através da porta serial. Há uma década, seguindo a analogia do Wi-Fi, surgiu o padrão sem fio WirelessHART, que opera na faixa ISM.
A segunda geração de protocolos ou barramentos que não são exatamente industriais, como ISA, PCI(e) e VME.
Em substituição aos protocolos Modbus e HART, surgiram barramentos que não são exatamente industriais, como ISA (MicroPC, PC/104) ou PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), além do VME.
Chegou a era dos computacionais que dispõem de um barramento de dados universal, onde diversos módulos podem ser conectados para processar um sinal unificado. Geralmente, nesse caso, o módulo processador (computacional) é inserido em um chamado chassi, que assegura a interação no barramento com outros dispositivos. O chassi, ou como gostam de chamar os verdadeiros automatizadores, 'crate', é complementado com os módulos de entrada e saída necessários: analógicos, discretos, de interface, etc., ou tudo isso é montado em forma de sanduíche sem chassi — uma placa sobre a outra. Após isso, essa diversidade no barramento (ISA, PCI, etc.) troca dados com o módulo processador, que assim obtém informações dos sensores e implementa alguma lógica.
Controlador e módulos de entrada e saída no chassi PXI no barramento PCI. Fonte:
Tudo estaria bem com esses barramentos ISA, PCI(e) e VME, especialmente para a época: a velocidade de troca não decepciona, e os componentes do sistema estão dispostos em um único chassi, de forma compacta e conveniente; a troca a quente das placas de entrada e saída pode não existir, mas ainda assim, não se tem a urgência de fazê-la.
Mas há um porém, e não é um só. É bastante difícil construir um sistema distribuído nessa configuração, o barramento é local, é necessário inventar algo para a troca de dados com outros nós subordinados ou iguais, como o Modbus sobre TCP/IP ou outro protocolo qualquer. No geral, as facilidades são escassas. E há um segundo ponto desagradável: as placas de entrada e saída geralmente esperam um sinal padronizado na entrada, e não possuem isolamento galvânico com o equipamento de campo, por isso é preciso montar uma estrutura de vários módulos de conversão e circuitos intermediários, o que complica bastante a base de componentes.
Módulos intermediários de conversão de sinal com isolamento galvânico. Fonte:
«E quanto ao protocolo de comunicação pelo barramento industrial?» — você pode perguntar. E nada. Não há nenhum nessa implementação. Através das linhas de cabos, o sinal chega dos sensores até os conversores de sinal, que fornecem tensão para a placa de entrada e saída discreta ou analógica, e os dados da placa são lidos através das portas de entrada/saída, por meio do sistema operacional. E nada de protocolos especializados.
Como funcionam os modernos barramentos industriais e protocolos
E agora? Até hoje, a ideologia clássica de construção de sistemas automatizados mudou um pouco. Muitos fatores tiveram influência, desde o fato de que também deve ser conveniente automatizar, até a tendência de sistemas automatizados distribuídos com nós afastados uns dos outros.
Pode-se dizer que, atualmente, existem duas principais concepções para a construção de sistemas de automação: sistemas automatizados localizados e sistemas automatizados distribuídos.
No caso de sistemas localizados, onde a coleta de dados e o gerenciamento são centralizados em um local específico, a conceito de um conjunto de módulos de entrada e saída conectados entre si por um barramento rápido comum é bastante solicitado, incluindo um controlador com seu próprio protocolo de comunicação. Normalmente, os módulos de entrada e saída incluem um conversor de sinal e um isolamento galvânico (embora, claro, isso não aconteça sempre). Assim, o consumidor final precisa apenas entender quais tipos de sensores e mecanismos estarão presentes no sistema automatizado, contar a quantidade necessária de módulos de entrada e saída para diferentes tipos de sinais e conectá-los em uma linha geral com o controlador. Nesse caso, cada fabricante geralmente utiliza seu protocolo favorito de comunicação entre os módulos de entrada e saída e o controlador, e as opções podem ser inúmeras.
No caso de sistemas distribuídos, tudo o que é aplicável aos sistemas localizados se mantém, exceto que é importante que componentes individuais, como um conjunto de módulos de entrada e saída mais um dispositivo de coleta e transmissão de informações — um microcontrolador não muito inteligente que está em uma cabine no campo, próximo a uma válvula que controla o petróleo — possam interagir com nós semelhantes e com o controlador principal a uma grande distância com uma velocidade de comunicação eficiente.
Como os desenvolvedores escolhem o protocolo para seu projeto? Todos os protocolos modernos de comunicação garantem um desempenho bastante elevado, portanto, muitas vezes, a escolha de um fabricante em detrimento de outro não é baseada na velocidade de comunicação através desse barramento industrial. A implementação do próprio protocolo também não é tão importante, pois, do ponto de vista do desenvolvedor do sistema, será sempre uma caixa-preta que oferece uma certa estrutura interna de comunicação e não é destinada a intervenções externas. Mais frequentemente, a atenção é voltada para características práticas: o desempenho do processador, a conveniência da aplicação do conceito do fabricante à tarefa proposta, a disponibilidade dos tipos necessários de módulos de entrada e saída, a possibilidade de substituição a quente de módulos sem interrupção do barramento, etc.
Fornecedores populares de equipamentos oferecem suas próprias implementações de protocolos industriais: por exemplo, a conhecida empresa Siemens desenvolve sua série de protocolos Profinet e Profibus, a B&R — o protocolo Powerlink, a Rockwell Automation — o protocolo EtherNet/IP. Uma solução nacional nesta lista de exemplos é a versão do protocolo FBUS da empresa russa Fastwel.
Existem também soluções mais universais, que não estão ligadas a um fabricante específico, como EtherCAT e CAN. Vamos detalhar esses protocolos ao longo do artigo e entender quais deles são mais adequados para aplicações específicas: nas indústrias automotiva e aeroespacial, na produção de eletrônicos, em sistemas de posicionamento e robótica. Fique ligado!
Fonte: habr.com
