Cu siguranță mulți dintre voi știți sau chiar ați văzut cât de mari sunt controlate obiectele automatizate, de exemplu, o centrală nucleară sau o fabrică cu multe linii de producție: acțiunea principală are loc adesea într-o încăpere mare, cu o grămadă de ecrane, becuri. și telecomenzi. Acest complex de control este de obicei numit camera principală de control - panoul de control principal pentru monitorizarea unității de producție.
Cu siguranță vă întrebați cum funcționează totul din punct de vedere hardware și software, cum diferă aceste sisteme de computerele personale convenționale. În acest articol, vom analiza modul în care diverse date ajung în camera principală de control, cum sunt trimise comenzile către echipament și ce este necesar în general pentru a controla o stație de compresoare, o fabrică de producție de propan, o linie de asamblare a mașinilor sau chiar o instalație de pompare a canalizării.
Cel mai de jos nivel sau fieldbus este locul unde începe totul
Acest set de cuvinte, neclar pentru cei neinițiați, este folosit atunci când este necesar să se descrie mijloacele de comunicare dintre microcontrolere și echipamentele subordonate, de exemplu modulele I/O sau dispozitivele de măsurare. De obicei, acest canal de comunicație este numit „field bus” deoarece este responsabil pentru transmiterea datelor care vin din „câmp” către controler.
„Câmp” este un termen profesional profund care se referă la faptul că unele echipamente (de exemplu, senzori sau actuatoare) cu care interacționează controlerul se află undeva departe, departe, pe stradă, pe câmpuri, sub acoperirea nopții. . Și nu contează că senzorul poate fi amplasat la jumătate de metru de controler și să măsoare, să zicem, temperatura într-un dulap de automatizare, încă se consideră că este „în câmp”. Cel mai adesea, semnalele de la senzori care ajung la modulele I/O încă parcurg distanțe de la zeci la sute de metri (și uneori mai mult), colectând informații de la site-uri sau echipamente la distanță. De fapt, de aceea magistrala de schimb, prin care controlerul primește valori de la acești senzori, este de obicei numită magistrală de câmp sau, mai puțin frecvent, magistrală de nivel inferior sau magistrală industrială.
Schema generală de automatizare a unei instalații industriale
Deci, semnalul electric de la senzor parcurge o anumită distanță de-a lungul liniilor de cablu (de obicei de-a lungul unui cablu obișnuit de cupru cu un anumit număr de nuclee), la care sunt conectați mai mulți senzori. Semnalul intră apoi în modulul de procesare (modul de intrare/ieșire), unde este convertit într-un limbaj digital ușor de înțeles de către controler. Apoi, acest semnal prin magistrala de câmp merge direct la controler, unde este în final procesat. Pe baza unor astfel de semnale, se construiește logica de funcționare a microcontrolerului în sine.
Nivel superior: de la o ghirlandă la o întreagă stație de lucru
Nivelul superior se numește tot ceea ce poate fi atins de un operator muritor obișnuit care controlează procesul tehnologic. În cel mai simplu caz, nivelul superior este un set de lumini și butoane. Becurile semnalizează operatorului anumite evenimente care au loc în sistem, butoanele sunt folosite pentru a emite comenzi către controler. Acest sistem este adesea numit „ghirlandă” sau „pom de Crăciun” deoarece arată foarte asemănător (după cum puteți vedea din fotografia de la începutul articolului).
Dacă operatorul este mai norocos, atunci ca nivel superior va primi un panou operator - un fel de computer cu ecran plat care într-un fel sau altul primește date pentru afișare de la controler și le afișează pe ecran. Un astfel de panou este de obicei montat pe dulapul de automatizare propriu-zis, așa că, de obicei, trebuie să interacționezi cu el stând în picioare, ceea ce creează neplăceri, plus calitatea și dimensiunea imaginii pe panouri de format mic lasă de dorit.
Și în sfârșit, o atracție de o generozitate fără precedent - o stație de lucru (sau chiar mai multe duplicate), care este un computer personal obișnuit.
Echipamentele de nivel superior trebuie să interacționeze într-un fel cu microcontrolerul (altfel de ce este nevoie?). Pentru o astfel de interacțiune, sunt utilizate protocoale de nivel superior și un anumit mediu de transmisie, de exemplu, Ethernet sau UART. În cazul „pomului de Crăciun”, astfel de sofisticari, desigur, nu sunt necesare; becurile sunt aprinse folosind linii fizice obișnuite, nu există interfețe sau protocoale sofisticate acolo.
În general, acest nivel superior este mai puțin interesant decât magistrala de câmp, deoarece este posibil ca acest nivel superior să nu existe deloc (operatorul nu are ce să se uite din serie; controlerul însuși își va da seama ce trebuie făcut și cum ).
Protocoale „vechi” de transfer de date: Modbus și HART
Puțini oameni știu, dar în a șaptea zi de la crearea lumii, Dumnezeu nu S-a odihnit, ci a creat Modbus. Alături de protocolul HART, Modbus este probabil cel mai vechi protocol industrial de transfer de date; a apărut în 1979.
Interfața serială a fost folosită inițial ca mediu de transmisie, apoi a fost implementat Modbus prin TCP/IP. Acesta este un protocol sincron master-slave (master-slave) care utilizează principiul cerere-răspuns. Protocolul este destul de greoi și lent, viteza de schimb depinde de caracteristicile receptorului și emițătorului, dar de obicei numărul este de aproape sute de milisecunde, mai ales atunci când este implementat printr-o interfață serială.
Mai mult, registrul de transfer de date Modbus este de 16 biți, ceea ce impune imediat restricții privind transferul tipurilor reale și duble. Ele sunt transmise fie în părți, fie cu pierdere de precizie. Deși Modbus este încă utilizat pe scară largă în cazurile în care nu sunt necesare viteze mari de comunicare și pierderea datelor transmise nu este critică. Mulți producători de diverse dispozitive le place să extindă protocolul Modbus într-un mod exclusiv și foarte original, adăugând funcții non-standard. Prin urmare, acest protocol are multe mutații și abateri de la normă, dar încă trăiește cu succes în lumea modernă.
Protocolul HART există și din anii optzeci, este un protocol de comunicații industriale pe o linie de buclă de curent cu două fire care conectează direct senzori de 4-20 mA și alte dispozitive compatibile HART.
Pentru a comuta liniile HART, sunt utilizate dispozitive speciale, așa-numitele modemuri HART. Există, de asemenea, convertoare care oferă utilizatorului, să zicem, protocolul Modbus la ieșire.
HART se remarcă probabil prin faptul că, pe lângă semnalele analogice ale senzorilor de 4-20 mA, semnalul digital al protocolului în sine este transmis și în circuit, ceea ce vă permite să conectați părțile digitale și analogice într-o singură linie de cablu. Modemurile HART moderne pot fi conectate la portul USB al controlerului, conectate prin Bluetooth sau în mod demodat printr-un port serial. În urmă cu o duzină de ani, prin analogie cu Wi-Fi, a apărut standardul wireless WirelessHART, care funcționează în gama ISM.
A doua generație de protocoale sau autobuze nu tocmai industriale ISA, PCI(e) și VME
Protocoalele Modbus și HART au fost înlocuite cu magistrale nu tocmai industriale, precum ISA (MicroPC, PC/104) sau PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), precum și VME.
A venit era calculatoarelor care au la dispoziție o magistrală de date universală, la care pot fi conectate diverse plăci (module) pentru a procesa un anumit semnal unificat. De regulă, în acest caz, modulul procesorului (calculatorul) este introdus în așa-numitul cadru, care asigură interacțiunea prin intermediul magistralei cu alte dispozitive. Cadrul, sau, așa cum adevărații experți în automatizare le place să-l numească, „ladă”, este completat cu plăcile de intrare-ieșire necesare: analog, discret, interfață etc., sau toate acestea sunt puse împreună sub forma unui sandwich fără un cadru - o placă peste alta. După aceea, această varietate pe magistrală (ISA, PCI etc.) face schimb de date cu modulul procesorului, care primește astfel informații de la senzori și implementează o anumită logică.
Controler și module I/O într-un cadru PXI pe o magistrală PCI. Sursă:
Totul ar fi bine cu aceste magistrale ISA, PCI(e) și VME, mai ales pentru acele vremuri: viteza de schimb nu este dezamăgitoare, iar componentele sistemului sunt amplasate într-un singur cadru, compact și convenabil, s-ar putea să nu existe hot-swappable Carduri I/O, dar încă nu vreau.
Dar există o muscă în unguent și mai mult de una. Este destul de dificil să construiți un sistem distribuit într-o astfel de configurație, magistrala de schimb este locală, trebuie să veniți cu ceva pentru a face schimb de date cu alte noduri slave sau peer, același Modbus prin TCP/IP sau alt protocol, în general, nu există suficiente facilități. Ei bine, al doilea lucru nu foarte plăcut: plăcile I/O așteaptă de obicei un fel de semnal unificat ca intrare și nu au izolație galvanică de echipamentele de câmp, așa că trebuie să faceți un gard din diverse module de conversie și circuite intermediare, ceea ce complică foarte mult baza elementului.
Module intermediare de conversie a semnalului cu izolare galvanică. Sursă:
„Dar protocolul autobuzului industrial?” - tu intrebi. Nimic. Nu există în această implementare. Prin liniile de cablu, semnalul se deplasează de la senzori la convertoare de semnal, convertoarele furnizează tensiune la o placă I/O discretă sau analogică, iar datele de pe placă sunt deja citite prin porturile I/O folosind sistemul de operare. Și fără protocoale specializate.
Cum funcționează autobuzele și protocoalele industriale moderne
Ce acum? Până în prezent, ideologia clasică de construire a sistemelor automate s-a schimbat puțin. Mulți factori au jucat un rol, începând cu faptul că automatizarea ar trebui să fie, de asemenea, convenabilă și terminând cu tendința către sisteme automatizate distribuite cu noduri îndepărtate unul de celălalt.
Poate că putem spune că există două concepte principale pentru sistemele de automatizare a clădirilor astăzi: sisteme automatizate localizate și distribuite.
În cazul sistemelor localizate, în care colectarea și controlul datelor sunt centralizate într-o locație specifică, este solicitat conceptul unui anumit set de module de intrare/ieșire interconectate printr-o magistrală rapidă comună, inclusiv un controler cu propriul protocol de schimb. În acest caz, de regulă, modulele I/O includ atât un convertor de semnal, cât și izolație galvanică (deși, desigur, nu întotdeauna). Adică, este suficient ca utilizatorul final să înțeleagă ce tipuri de senzori și mecanisme vor fi prezente în sistemul automat, să numere numărul de module de intrare/ieșire necesare pentru diferite tipuri de semnale și să le conecteze într-o linie comună cu controlerul . În acest caz, de regulă, fiecare producător folosește protocolul său favorit de schimb între modulele I/O și controler și pot exista o mulțime de opțiuni aici.
În cazul sistemelor distribuite, tot ceea ce se spune în legătură cu sistemele localizate este adevărat, în plus, este important ca componentele individuale, de exemplu, un set de module de intrare-ieșire plus un dispozitiv pentru colectarea și transmiterea informațiilor - un nu microcontroler foarte inteligent care stă undeva într-o cabină în câmp, lângă supapa care închide uleiul - ar putea interacționa cu aceleași noduri și cu controlerul principal la distanță mare cu un curs de schimb efectiv.
Cum aleg dezvoltatorii un protocol pentru proiectul lor? Toate protocoalele de schimb moderne oferă performanțe destul de ridicate, astfel încât alegerea unuia sau altuia producător nu este adesea determinată de cursul de schimb pe acest autobuz foarte industrial. Implementarea protocolului în sine nu este atât de importantă, deoarece, din punctul de vedere al dezvoltatorului de sistem, va fi totuși o cutie neagră care oferă o anumită structură de schimb intern și nu este concepută pentru interferențe externe. Cel mai adesea, se acordă atenție caracteristicilor practice: performanța computerului, ușurința aplicării conceptului producătorului la sarcina în cauză, disponibilitatea tipurilor necesare de module I/O, capacitatea de a schimba modulele la cald fără rupere. autobuzul etc.
Furnizorii populari de echipamente oferă propriile implementări ale protocoalelor industriale: de exemplu, cunoscuta companie Siemens își dezvoltă seria de protocoale Profinet și Profibus, B&R dezvoltă protocolul Powerlink, Rockwell Automation dezvoltă protocolul EtherNet/IP. O soluție internă în această listă de exemple: o versiune a protocolului FBUS de la compania rusă Fastwel.
Există, de asemenea, soluții mai universale care nu sunt legate de un anumit producător, cum ar fi EtherCAT și CAN. Vom analiza aceste protocoale în detaliu în continuarea articolului și vom da seama care dintre ele sunt mai potrivite pentru aplicații specifice: industria auto și aerospațială, producția de electronice, sisteme de poziționare și robotică. Ține legătura!
Sursa: www.habr.com