Zagotovo mnogi od vas veste ali ste celo videli, kako se nadzorujejo veliki avtomatizirani objekti, na primer jedrska elektrarna ali tovarna s številnimi proizvodnimi linijami: glavno dogajanje se pogosto odvija v veliki sobi, s kupom zaslonov, žarnic in daljinski upravljalniki. Ta nadzorni kompleks se običajno imenuje glavna nadzorna soba - glavna nadzorna plošča za nadzor proizvodnega obrata.
Zagotovo ste se spraševali, kako vse skupaj deluje strojno in programsko, kako se ti sistemi razlikujejo od običajnih osebnih računalnikov. V tem članku si bomo ogledali, kako različni podatki pridejo do glavne nadzorne sobe, kako se ukazi pošljejo opremi in kaj je na splošno potrebno za krmiljenje kompresorske postaje, obrata za proizvodnjo propana, tekočega traku avtomobilov ali celo kanalizacijska črpalna naprava.
Najnižja raven ali fieldbus je tam, kjer se vse začne
Ta nepoučenim nejasen nabor besed se uporablja, ko je treba opisati komunikacijska sredstva med mikrokontrolerji in podrejeno opremo, na primer I/O moduli ali merilnimi napravami. Običajno se ta komunikacijski kanal imenuje "field bus", ker je odgovoren za prenos podatkov, ki prihajajo iz "polja" v krmilnik.
"Polje" je globok strokovni izraz, ki se nanaša na dejstvo, da se neka oprema (na primer senzorji ali aktuatorji), s katero krmilnik komunicira, nahaja nekje daleč, daleč stran, na ulici, na poljih, pod okriljem noči. . In ni pomembno, da se senzor lahko nahaja pol metra od krmilnika in meri, recimo, temperaturo v avtomatski omari, še vedno velja, da je "na terenu". Najpogosteje signali iz senzorjev, ki prispejo do I/O modulov, še vedno potujejo na razdalje od deset do sto metrov (in včasih več) in zbirajo informacije z oddaljenih mest ali opreme. Pravzaprav se zato izmenjevalno vodilo, preko katerega krmilnik prejema vrednosti iz teh istih senzorjev, običajno imenuje field bus ali redkeje nižje nivojsko vodilo ali industrijsko vodilo.
Splošna shema avtomatizacije industrijskega objekta
Torej električni signal iz senzorja prepotuje določeno razdaljo po kabelskih linijah (običajno po navadnem bakrenem kablu z določenim številom žil), na katere je priključenih več senzorjev. Signal nato vstopi v procesni modul (input/output module), kjer se pretvori v digitalni jezik, ki ga razume krmilnik. Nato gre ta signal prek field busa neposredno v krmilnik, kjer se končno obdela. Na podlagi takih signalov je zgrajena logika delovanja samega mikrokontrolerja.
Najvišji nivo: od girlande do celotne delovne postaje
Zgornja raven se imenuje vse, česar se lahko dotakne navaden smrtni operater, ki nadzoruje tehnološki proces. V najpreprostejšem primeru je zgornja raven niz luči in gumbov. Žarnice signalizirajo operaterju o določenih dogodkih v sistemu, gumbi se uporabljajo za izdajanje ukazov krmilniku. Ta sistem se pogosto imenuje "garlanda" ali "božično drevo", ker izgleda zelo podobno (kot lahko vidite na fotografiji na začetku članka).
Če bo imel operater več sreče, bo kot najvišji nivo dobil operatersko ploščo - nekakšen ploščati računalnik, ki na tak ali drugačen način sprejema podatke za prikaz od krmilnika in jih prikazuje na zaslonu. Takšna plošča je običajno nameščena na sami omarici za avtomatizacijo, zato morate običajno z njo komunicirati stoje, kar povzroča nevšečnosti, poleg tega pa kakovost in velikost slike na ploščah majhnega formata pušča veliko želenega.
In končno, atrakcija brez primere velikodušnosti - delovna postaja (ali celo več dvojnikov), ki je navaden osebni računalnik.
Oprema višjega nivoja mora na nek način komunicirati z mikrokrmilnikom (čema je sicer potrebna?). Za takšno interakcijo se uporabljajo protokoli višjega nivoja in določen prenosni medij, na primer Ethernet ali UART. Pri »božičnem drevesu« takšne prefinjenosti seveda niso potrebne, žarnice svetijo po navadnih fizičnih linijah, tam ni nobenih sofisticiranih vmesnikov ali protokolov.
Na splošno je ta zgornja raven manj zanimiva od fieldbusa, saj ta zgornja raven morda sploh ne obstaja (operater nima ničesar gledati iz serije; krmilnik bo sam ugotovil, kaj je treba narediti in kako ).
“Starodavni” protokoli za prenos podatkov: Modbus in HART
Malo ljudi ve, a sedmi dan stvarjenja sveta Bog ni počival, ampak je ustvaril Modbus. Modbus je poleg protokola HART morda najstarejši industrijski protokol za prenos podatkov, pojavil se je že leta 1979.
Sprva je bil serijski vmesnik uporabljen kot prenosni medij, nato pa je bil Modbus implementiran preko TCP/IP. To je sinhroni master-slave (master-slave) protokol, ki uporablja princip zahteva-odgovor. Protokol je precej okoren in počasen, hitrost izmenjave je odvisna od lastnosti sprejemnika in oddajnika, običajno pa je štetje skoraj sto milisekund, še posebej, če je izvedeno prek serijskega vmesnika.
Poleg tega je register prenosa podatkov Modbus 16-bitni, kar takoj nalaga omejitve pri prenosu realnih in dvojnih vrst. Prenašajo se v delih ali z izgubo natančnosti. Čeprav se Modbus še vedno pogosto uporablja v primerih, ko visoke komunikacijske hitrosti niso potrebne in izguba prenesenih podatkov ni kritična. Mnogi proizvajalci različnih naprav radi razširijo protokol Modbus na svoj ekskluziven in zelo izviren način z dodajanjem nestandardnih funkcij. Zato ima ta protokol številne mutacije in odstopanja od norme, a še vedno uspešno živi v sodobnem svetu.
Protokol HART je prav tako prisoten že od osemdesetih let, je industrijski komunikacijski protokol prek dvožilne tokovne zanke, ki neposredno povezuje senzorje 4–20 mA in druge naprave, ki podpirajo HART.
Za preklop HART linij se uporabljajo posebne naprave, tako imenovani HART modemi. Obstajajo tudi pretvorniki, ki uporabniku na izhodu zagotovijo recimo protokol Modbus.
HART je morda opazen zaradi dejstva, da se poleg analognih signalov senzorjev 4-20 mA v vezju prenaša tudi digitalni signal samega protokola, kar vam omogoča povezavo digitalnih in analognih delov v eno kabelsko linijo. Sodobne modeme HART je mogoče priključiti na vrata USB krmilnika, povezati prek Bluetootha ali na staromoden način prek serijskih vrat. Pred ducat leti se je po analogiji z Wi-Fi pojavil brezžični standard WirelessHART, ki deluje v območju ISM.
Druga generacija protokolov ali ne čisto industrijskih vodil ISA, PCI(e) in VME
Protokola Modbus in HART so zamenjala ne povsem industrijska vodila, kot so ISA (MicroPC, PC/104) ali PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), pa tudi VME.
Prišla je doba računalnikov, ki imajo na voljo univerzalno podatkovno vodilo, kamor lahko povežemo različne plošče (module) za obdelavo določenega enotnega signala. Praviloma je v tem primeru procesorski modul (računalnik) vstavljen v tako imenovani okvir, ki zagotavlja interakcijo prek vodila z drugimi napravami. Okvir ali, kot pravi strokovnjaki za avtomatizacijo radi imenujejo »zaboj«, je dopolnjen s potrebnimi vhodno-izhodnimi ploščami: analognimi, diskretnimi, vmesniškimi itd., ali pa je vse skupaj sestavljeno v obliki sendviča brez okvir - ena deska na drugi. Nato ta sorta na vodilu (ISA, PCI itd.) izmenjuje podatke s procesorskim modulom, ki tako sprejema informacije od senzorjev in izvaja neko logiko.
Krmilni in V/I moduli v okviru PXI na vodilu PCI. Vir:
S temi vodili ISA, PCI(e) in VME bi bilo vse v redu, še posebej za tiste čase: hitrost izmenjave ne razočara, sistemske komponente pa so nameščene v enem samem okvirju, kompaktne in priročne, morda ni možnosti vroče zamenjave. I/O kartice, vendar tega še ne želim.
Vendar je muha v manikuri in več kot ena. V takšni konfiguraciji je precej težko zgraditi porazdeljen sistem, izmenjevalno vodilo je lokalno, treba si je izmisliti nekaj za izmenjavo podatkov z drugimi podrejenimi ali enakovrednimi vozlišči, isti Modbus prek TCP/IP ali kakšen drug protokol, v na splošno ni dovolj udobja. No, druga ne preveč prijetna stvar: I/O plošče običajno pričakujejo nekakšen enoten signal kot vhod in nimajo galvanske izolacije od terenske opreme, zato je treba narediti ograjo iz različnih pretvorniških modulov in vmesnih vezij, kar močno oteži elementno bazo.
Vmesni moduli za pretvorbo signala z galvansko ločitvijo. Vir:
"Kaj pa protokol industrijskega vodila?" - vprašate. nič. V tej izvedbi ne obstaja. Po kabelskih linijah potuje signal od senzorjev do pretvornikov signalov, pretvorniki napajajo napetost na diskretni ali analogni I/O plošči, podatki s plošče pa se že preberejo preko I/O vrat s pomočjo OS. In nobenih specializiranih protokolov.
Kako delujejo sodobni industrijski avtobusi in protokoli
Kaj zdaj? Do danes se je klasična ideologija gradnje avtomatiziranih sistemov nekoliko spremenila. Številni dejavniki so igrali vlogo, začenši z dejstvom, da mora biti avtomatizacija tudi priročna, in končati s trendom k porazdeljenim avtomatiziranim sistemom z vozlišči, oddaljenimi drug od drugega.
Morda lahko rečemo, da danes obstajata dva glavna koncepta gradnje sistemov za avtomatizacijo: lokalizirani in porazdeljeni avtomatizirani sistemi.
V primeru lokaliziranih sistemov, kjer sta zbiranje in nadzor podatkov centralizirana na eni določeni lokaciji, je povpraševanje po konceptu določenega niza vhodno/izhodnih modulov, ki so med seboj povezani s skupnim hitrim vodilom, vključno s krmilnikom z lastnim protokolom izmenjave. V tem primeru I/O moduli praviloma vključujejo tako pretvornik signala kot galvansko ločitev (čeprav seveda ne vedno). To pomeni, da je dovolj, da končni uporabnik razume, katere vrste senzorjev in mehanizmov bodo prisotni v avtomatiziranem sistemu, prešteje število potrebnih vhodno / izhodnih modulov za različne vrste signalov in jih poveže v eno skupno linijo s krmilnikom. . V tem primeru praviloma vsak proizvajalec uporablja svoj najljubši protokol izmenjave med I/O moduli in krmilnikom in tukaj je lahko veliko možnosti.
Pri porazdeljenih sistemih drži vse, kar je rečeno v zvezi z lokaliziranimi sistemi, poleg tega pa je pomembno, da posamezne komponente, na primer nabor vhodno-izhodnih modulov plus naprava za zbiranje in prenos informacij – ne zelo pameten mikrokrmilnik, ki stoji nekje v kabini na polju, poleg ventila, ki zapira olje - bi lahko komuniciral z istimi vozlišči in z glavnim krmilnikom na veliki razdalji z efektivnim menjalnim tečajem.
Kako razvijalci izberejo protokol za svoj projekt? Vsi sodobni protokoli izmenjave zagotavljajo precej visoko zmogljivost, zato izbira enega ali drugega proizvajalca pogosto ni odvisna od menjalnega tečaja na tem zelo industrijskem avtobusu. Izvedba samega protokola ni tako pomembna, saj bo z vidika razvijalca sistema še vedno črna skrinjica, ki zagotavlja določeno notranjo strukturo izmenjave in ni zasnovana za zunanje posege. Najpogosteje je pozornost namenjena praktičnim značilnostim: zmogljivost računalnika, enostavnost uporabe proizvajalčevega koncepta za zastavljeno nalogo, razpoložljivost zahtevanih vrst I/O modulov, zmožnost vroče zamenjave modulov brez zloma. avtobus itd.
Priljubljeni dobavitelji opreme ponujajo lastne izvedbe industrijskih protokolov: na primer, znano podjetje Siemens razvija svojo serijo protokolov Profinet in Profibus, B&R razvija protokol Powerlink, Rockwell Automation razvija protokol EtherNet/IP. Domača rešitev na tem seznamu primerov: različica protokola FBUS ruskega podjetja Fastwel.
Obstajajo tudi bolj univerzalne rešitve, ki niso vezane na določenega proizvajalca, kot sta EtherCAT in CAN. Te protokole bomo podrobno analizirali v nadaljevanju članka in ugotovili, kateri od njih so bolj primerni za specifične aplikacije: avtomobilska in vesoljska industrija, proizvodnja elektronike, sistemi za določanje položaja in robotika. Ostati v stiku!
Vir: www.habr.com