Certamente muitos de vocês sabem ou já viram como grandes objetos automatizados são controlados, por exemplo, uma usina nuclear ou uma fábrica com muitas linhas de produção: a ação principal geralmente ocorre em uma sala grande, com um monte de telas, lâmpadas e controles remotos. Este complexo de controle é geralmente chamado de sala de controle principal - o painel de controle principal para monitorar as instalações de produção.
Certamente você está se perguntando como tudo funciona em termos de hardware e software, como esses sistemas diferem dos computadores pessoais convencionais. Neste artigo, veremos como vários dados chegam à sala de controle principal, como os comandos são enviados ao equipamento e o que geralmente é necessário para controlar uma estação de compressão, uma planta de produção de propano, uma linha de montagem de automóveis ou mesmo um estação de bombeamento de esgoto.
O nível mais baixo ou fieldbus é onde tudo começa
Este conjunto de palavras, pouco claro para os não iniciados, é utilizado quando é necessário descrever os meios de comunicação entre microcontroladores e equipamentos subordinados, por exemplo, módulos de E/S ou dispositivos de medição. Normalmente esse canal de comunicação é chamado de “barramento de campo” porque é responsável por transmitir os dados que vêm do “campo” para o controlador.
“Campo” é um termo profissional profundo que se refere ao fato de que alguns equipamentos (por exemplo, sensores ou atuadores) com os quais o controlador interage estão localizados em algum lugar muito, muito distante, na rua, nos campos, sob a cobertura da noite . E não importa que o sensor possa estar localizado a meio metro do controlador e medir, digamos, a temperatura em um gabinete de automação, ainda se considera que está “no campo”. Na maioria das vezes, os sinais dos sensores que chegam aos módulos de E/S ainda percorrem distâncias de dezenas a centenas de metros (e às vezes mais), coletando informações de locais ou equipamentos remotos. Na verdade, é por isso que o barramento de troca, através do qual o controlador recebe valores desses mesmos sensores, costuma ser chamado de barramento de campo ou, menos comumente, barramento de nível inferior ou barramento industrial.
Esquema geral de automação de uma instalação industrial
Assim, o sinal elétrico do sensor percorre uma certa distância ao longo de linhas de cabo (geralmente ao longo de um cabo de cobre normal com um certo número de núcleos), aos quais vários sensores estão conectados. O sinal então entra no módulo de processamento (módulo de entrada/saída), onde é convertido em uma linguagem digital compreensível para o controlador. Em seguida, esse sinal através do barramento de campo vai diretamente para o controlador, onde é finalmente processado. Com base nesses sinais, é construída a lógica de funcionamento do próprio microcontrolador.
Nível superior: de uma guirlanda a uma estação de trabalho inteira
O nível superior é chamado de tudo que pode ser tocado por um operador mortal comum que controla o processo tecnológico. No caso mais simples, o nível superior é um conjunto de luzes e botões. Lâmpadas sinalizam ao operador sobre determinados eventos que ocorrem no sistema, botões são usados para emitir comandos ao controlador. Este sistema costuma ser chamado de “guirlanda” ou “árvore de Natal” porque é muito semelhante (como você pode ver na foto no início do artigo).
Se o operador tiver mais sorte, então, como nível superior, ele receberá um painel do operador - uma espécie de computador de tela plana que, de uma forma ou de outra, recebe dados do controlador para exibição e os exibe na tela. Esse painel geralmente é montado no próprio gabinete de automação, então normalmente você tem que interagir com ele em pé, o que causa transtornos, além da qualidade e tamanho da imagem em painéis de pequeno formato deixarem muito a desejar.
E, finalmente, uma atração de generosidade sem precedentes - uma estação de trabalho (ou mesmo várias duplicatas), que é um computador pessoal comum.
O equipamento de nível superior deve interagir de alguma forma com o microcontrolador (caso contrário, por que é necessário?). Para tal interação, são utilizados protocolos de nível superior e um determinado meio de transmissão, por exemplo, Ethernet ou UART. No caso da “árvore de Natal”, tais sofisticações, claro, não são necessárias: as lâmpadas são acesas por meio de linhas físicas comuns, não existem interfaces ou protocolos sofisticados ali.
Em geral, este nível superior é menos interessante que o barramento de campo, uma vez que este nível superior pode não existir (não há nada para o operador observar na série; o próprio controlador descobrirá o que precisa ser feito e como ).
Protocolos “antigos” de transferência de dados: Modbus e HART
Poucas pessoas sabem, mas no sétimo dia da criação do mundo, Deus não descansou, mas criou o Modbus. Junto com o protocolo HART, o Modbus é talvez o protocolo de transferência de dados industrial mais antigo; apareceu em 1979.
A interface serial foi inicialmente usada como meio de transmissão, depois o Modbus foi implementado sobre TCP/IP. Este é um protocolo síncrono mestre-escravo (mestre-escravo) que utiliza o princípio de solicitação-resposta. O protocolo é bastante complicado e lento, a velocidade de troca depende das características do receptor e do transmissor, mas normalmente a contagem é de quase centenas de milissegundos, principalmente quando implementado via interface serial.
Além disso, o registro de transferência de dados Modbus é de 16 bits, o que impõe imediatamente restrições à transferência dos tipos real e duplo. Eles são transmitidos em partes ou com perda de precisão. Embora o Modbus ainda seja amplamente utilizado em casos onde não são necessárias altas velocidades de comunicação e a perda de dados transmitidos não é crítica. Muitos fabricantes de diversos dispositivos gostam de expandir o protocolo Modbus de uma forma exclusiva e muito original, adicionando funções fora do padrão. Portanto, este protocolo apresenta muitas mutações e desvios da norma, mas ainda vive com sucesso no mundo moderno.
O protocolo HART também existe desde a década de 4. É um protocolo de comunicação industrial através de uma linha de circuito de corrente de dois fios que conecta diretamente sensores de 20 a XNUMX mA e outros dispositivos habilitados para HART.
Para comutar linhas HART, são usados dispositivos especiais, chamados modems HART. Existem também conversores que fornecem ao usuário, digamos, o protocolo Modbus na saída.
O HART talvez se destaque pelo fato de que além dos sinais analógicos dos sensores 4-20 mA, o sinal digital do próprio protocolo também é transmitido no circuito, o que permite conectar as partes digitais e analógicas em uma linha de cabo. Os modems HART modernos podem ser conectados à porta USB do controlador, via Bluetooth ou à moda antiga, por meio de uma porta serial. Há uma dezena de anos, por analogia com o Wi-Fi, surgiu o padrão wireless WirelessHART, operando na faixa ISM.
Segunda geração de protocolos ou barramentos não industriais ISA, PCI(e) e VME
Os protocolos Modbus e HART foram substituídos por barramentos não exatamente industriais, como ISA (MicroPC, PC/104) ou PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), bem como VME.
Chegou a era dos computadores que têm à sua disposição um barramento de dados universal, onde várias placas (módulos) podem ser conectadas para processar um determinado sinal unificado. Via de regra, neste caso, o módulo processador (computador) é inserido no chamado frame, o que garante a interação via barramento com outros dispositivos. A moldura, ou, como os verdadeiros especialistas em automação gostam de chamar, “caixa”, é complementada com as placas de entrada-saída necessárias: analógicas, discretas, interface, etc., ou tudo isso é montado na forma de um sanduíche sem uma moldura - uma placa em cima da outra. Depois disso, essa variedade no barramento (ISA, PCI, etc.) troca dados com o módulo processador, que assim recebe informações dos sensores e implementa alguma lógica.
Módulos de controlador e E/S em um quadro PXI em um barramento PCI. Fonte:
Tudo ficaria bem com esses barramentos ISA, PCI(e) e VME, especialmente para aqueles tempos: a velocidade de troca não decepciona e os componentes do sistema estão localizados em um único quadro, compacto e conveniente, pode não haver troca a quente placas de E/S, mas ainda não quero.
Mas há uma mosca na sopa, e mais de uma. É bastante difícil construir um sistema distribuído nesta configuração, o barramento de troca é local, você precisa inventar algo para trocar dados com outros nós escravos ou pares, o mesmo Modbus sobre TCP/IP ou algum outro protocolo, em em geral, não há conveniências suficientes. Bem, a segunda coisa não muito agradável: as placas de E/S geralmente esperam algum tipo de sinal unificado como entrada e não possuem isolamento galvânico do equipamento de campo, então você precisa fazer uma cerca com vários módulos de conversão e circuitos intermediários, o que complica muito a base do elemento.
Módulos intermediários de conversão de sinal com isolamento galvânico. Fonte:
“E o protocolo de barramento industrial?” - você pergunta. Nada. Não existe nesta implementação. Através de linhas de cabos, o sinal viaja dos sensores para os conversores de sinal, os conversores fornecem tensão para uma placa de E/S discreta ou analógica, e os dados da placa já são lidos através das portas de E/S usando o sistema operacional. E sem protocolos especializados.
Como funcionam os barramentos e protocolos industriais modernos
E agora? Até o momento, a ideologia clássica de construção de sistemas automatizados mudou um pouco. Muitos fatores desempenharam um papel, começando pelo fato de que a automação também deveria ser conveniente e terminando com a tendência para sistemas automatizados distribuídos com nós distantes uns dos outros.
Talvez possamos dizer que existem hoje dois conceitos principais para sistemas de automação predial: sistemas automatizados localizados e distribuídos.
No caso de sistemas localizados, onde a coleta e o controle de dados são centralizados em um local específico, é necessário o conceito de um determinado conjunto de módulos de entrada/saída interligados por um barramento rápido comum, incluindo um controlador com protocolo de troca próprio. Neste caso, como regra, os módulos de E/S incluem um conversor de sinal e um isolamento galvânico (embora, claro, nem sempre). Ou seja, basta que o usuário final entenda quais tipos de sensores e mecanismos estarão presentes no sistema automatizado, conte a quantidade de módulos de entrada/saída necessários para diferentes tipos de sinais e conecte-os em uma linha comum com o controlador . Neste caso, via de regra, cada fabricante utiliza seu protocolo de troca preferido entre os módulos de E/S e o controlador, e pode haver muitas opções aqui.
No caso de sistemas distribuídos, tudo o que se diz em relação aos sistemas localizados é verdade, além disso, é importante que componentes individuais, por exemplo, um conjunto de módulos de entrada-saída mais um dispositivo de coleta e transmissão de informações - um não microcontrolador muito inteligente que fica em algum lugar de um estande em campo, próximo à válvula que corta o óleo - poderia interagir com os mesmos nós e com o controlador principal a uma grande distância com uma taxa de câmbio efetiva.
Como os desenvolvedores escolhem um protocolo para seus projetos? Todos os protocolos de troca modernos oferecem desempenho bastante alto, de modo que a escolha de um ou outro fabricante muitas vezes não é determinada pela taxa de câmbio desse barramento industrial. A implementação do protocolo em si não é tão importante, pois, do ponto de vista do desenvolvedor do sistema, ainda será uma caixa preta que fornece uma certa estrutura de troca interna e não é projetada para interferências externas. Na maioria das vezes, é dada atenção às características práticas: o desempenho do computador, a facilidade de aplicação do conceito do fabricante à tarefa em questão, a disponibilidade dos tipos necessários de módulos de E/S, a capacidade de módulos hot-swap sem quebrar o ônibus, etc
Fornecedores de equipamentos populares oferecem suas próprias implementações de protocolos industriais: por exemplo, a conhecida empresa Siemens está desenvolvendo sua série de protocolos Profinet e Profibus, a B&R está desenvolvendo o protocolo Powerlink, a Rockwell Automation está desenvolvendo o protocolo EtherNet/IP. Uma solução doméstica nesta lista de exemplos: uma versão do protocolo FBUS da empresa russa Fastwel.
Existem também soluções mais universais que não estão vinculadas a um fabricante específico, como EtherCAT e CAN. Analisaremos esses protocolos detalhadamente na continuação do artigo e descobriremos quais deles são mais adequados para aplicações específicas: indústrias automotiva e aeroespacial, fabricação de eletrônicos, sistemas de posicionamento e robótica. Manter contato!
Fonte: habr.com