Sigurisht, shumë prej jush e dinë ose madje kanë parë si menaxhohen objektet e mëdha automatizuese, si p.sh. një centrale bërthamore ose një fabrikë me shumë linja teknologjike: veprimi kryesor shpesh zhvillohet në një dhomë të madhe, me shumë ekrane, drita dhe panele. Ky kompleks menaxhimi zakonisht quhet GShU — shiti kryesor i menaxhimit për kontrollin e objektit prodhues.
Sigurisht që ju ka interesuar si funksionon gjithçka nga pikëpamja harduerike dhe softuerike, dhe çfarë e ndan këtë sistem nga kompjuterët personalë të njohur. Në këtë artikull ne do të shqyrtojmë se si të dhënat e ndryshme arrijnë në GShU, si dërgohen komandat në pajisje, dhe çfarë nevojitet për të menaxhuar një stacion kompresor, një instalacion për prodhimin e propanit, një linjë montimi automjetesh ose madje një instalacion pompash për ujërat e zeza.
Niveli i poshtëm ose fushorja — ajo nga e cila fillon gjithçka
Ky kyç i paqartë për ata që nuk janë të njohur, përdoret kur duhet përshkruar mënyrat e komunikimit të mikroprocesorëve me pajisjet e varura, si modulat hyrëse-dalëse ose aparaturat matëse. Zakonisht, ky kanal komunikimi quhet "busa e terrenit", sepse përgjigjet për transferimin e të dhënave në kontrollor që vijnë nga "terreni".
«Fusha» është një term profesional i thellë që nënkupton se një pajisje (siç janë sensorët ose mekanizmat ekzekutues) me të cilën ndërvepron kontrollori ndodhet diku larg, jashtë, në fushë, nën mbulimin e natës. Dhe nuk ka rëndësi se sa afër mund të jetë sensori nga kontrollori, madje për të matur temperaturën në një kabinet automatik, përsëri konsiderohet se ai ndodhet «në fushë». Më së shpeshti, sinjalet nga sensorët, që mbërrijnë në modulët e hyrjes dhe daljes, kalojnë distanca nga dhjetëra deri në qindra metra (dhe ndonjëherë edhe më shumë), duke mbledhur informacion nga vende ose pajisje të largëta. Kështu, autobusi i ndërlidhjes, përmes të cilit kontrollori merr vlerat nga këta sensorë, zakonisht quhet autobusi i fushës ose më rrallë autobusi i nivelit të poshtëm ose autobusi industrial.
Skema e përgjithshme e automatizimit të një objekti industrial
Pra ndaj, sinjali elektrik nga sensori kalon një distancë përmes kabllove (zakonisht përmes një kablli bakri të zakonshëm me disa fije), të cilat janë të lidhura me disa sensore. Pastaj, sinjali arrin në modul të përpunimit (modulin e hyrjes-daljes), ku ai shndërrohet në një gjuhë dixhitale të kuptueshme për kontrolerin. Më pas, ky sinjal kalon përmes fushës në kontrollorin, ku përpunimi përfundimtar ndodh. Logjika e punës së mikrokontrollerit ndërtohet mbi këto sinjale.
Niveli i sipërm: nga llampa deri te një stacion pune i plotë
Niveli i sipërm përfshin gjithçka me të cilën mund të ndërveprojë një operator i zakonshëm që menaxhon procesin teknologjik. Në rastin më të thjeshtë, niveli i sipërm është një grup llampash dhe butonash. Llampat sinjalizojnë operatorin për disa ngjarje që ndodhin në sistem, ndërsa butonat shërbejnë për të dhënë komanda për kontrollerin. Kjo sistem shpesh quhet "llambadar" ose "dëndur", sepse ka një pamje shumë të ngjashme (siç mund të vërtetohet nga fotografia në fillim të artikullit).
Nëse operatori ka fat më të madh, atëherë niveli i tij më i lartë do të jetë paneli i operatorit — një lloj kompjuteri me ekran të planflatë, i cili në një mënyrë ose në një tjetër merr të dhëna për t'i shfaqur nga kontrolli dhe i përçmon ato në ekran. Ky panel zakonisht instalohet mbi kabinetin e automatikës, kështu që ndodhet në një pozicion që zakonisht kërkon të qëndroni, çka shkakton pakësim komoditeteve, përveç që cilësia dhe madhësia e imazhit në panelet me formate të vogla lë për të dëshiruar.
Dhe, në fund, atraksioni i pabesueshëm i bujarisë — një stacion pune (ndoshta edhe disa kopje të njëpasnjëshme), i cili përbën një kompjuter të zakonshëm personal.
Pajisjet e nivelit më të lartë janë të detyruara të bashkëpunojnë në një mënyrë me mikro-kontrollerin (ndryshe, përse do të ishin aty?). Për këtë bashkëpunim përdoren protokollet e nivelit më të lartë dhe një mjedis transmetimi, për shembull, Ethernet ose UART. Në rastin e "pëllumbit", sigurisht, këto nuanca nuk janë të nevojshme, sepse llampat ndizet duke përdorur linjat fizike të zakonshme, pa interface dhe protokolle të ndërlikuara.
Në përgjithësi, ky nivel i lartë është më pak interesant sesa autobusi i fushës, pasi ky nivel i lartë mund të mos ekzistojë fare (nga seria nuk ka çfarë të shikojë operatori, kontrollori vetë do të kuptojë se çfarë duhet bërë).
Protokollet e "lashta" të transmetimit të të dhënave: Modbus dhe HART
Pak njerëz e dinë, por në ditën e shtatë të krijimit të botës, Zoti nuk preku, por krijoi Modbus. Në përputhje me protokollin HART, Modbus është ndoshta protokolli më i vjetër i transmetimit të të dhënave industriale, i cili u shfaq që në vitin 1979.
Fillimisht, si mjedis për transmetim u përdor një ndërfaqe seriale, pastaj Modbus u realizua mbi TCP/IP. Ky është një protokoll sinchron si ‘master-slave’ ( kryesor-nënshtruar), në të cilin përdoret parimi ‘kërkesë-përgjigje’. Protokolli është goxha i rëndë dhe i ngadaltë, shpejtësia e transmetimit varet nga karakteristikat e marrësit dhe dërguesit, por zakonisht është çështje e qindra milisekondave, veçanërisht në implementimin përmes ndërfaqes seriale.
Gjithashtu, regjistri i transmetimit të të dhënave Modbus është 16-bit, çka menjëherë vendos kufizime për transmetimin e tipeve real dhe double. Ato transmetohen ose në pjesë, ose me humbje saktësie. Megjithëse Modbus ende përdoret gjerësisht në raste ku nuk kërkohet një shpejtësi e lartë exchange dhe humbja e të dhënave të transmetuara nuk është kritike. Shumë prodhues të pajisjeve të ndryshme e duan të zgjerojnë protokollin Modbus në mënyra të veçanta dhe shumë origjinale, duke shtuar funksione jo standarde. Prandaj, kjo protokoll ka shumë mutacione dhe devijime nga norma, por ende vazhdon të jetojë me sukses në botën moderne.
Protokolli HART gjithashtu ekziston që prej viteve '80, është një protokoll industrial komunikimi mbi një linjë të dyfishtë të rrymës, ku direkt lidhën sensorët 4-20 mA dhe pajisjet e tjera të mbështetur nga protokolli HART.
Për lidhjen e linjave HART përdoren pajisje të veçanta, të njohura si modemë HART. Gjithashtu ekzistojnë konvertues që në dalje ofrojnë përdoruesit tashmë, për shembull, protokollin Modbus.
E veçantë HART, ndoshta, është se përveç sinjaleve analoge nga sensorët 4-20 mA, në zinxhir transmetohet edhe sinjali digjital i protokollit, duke lejuar lidhjen e pjesës digjitale dhe asaj analoge në një linjë kabllore. Modemat moderne HART mund të lidhen në portin USB të kontrolluesit, të komunikojnë përmes Bluetooth, ose me metodën e vjetër përmes portit serial. Dymbëdhjetë vjet më parë, pasanalogji me Wi-Fi, u shfaq edhe standardi pa tel WirelessHART, i cili punon në intervalin ISM.
Brezi i dytë i protokolleve ose autobusat jo krejt industrialë ISA, PCI(e) dhe VME
Në zëvendësim të protokolleve Modbus dhe HART erdhën autobusat jo krejt industrialë, të tillë si ISA (MicroPC, PC/104) ose PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), si dhe VME.
Ka ardhur një epokë për llogaritësit që disponojnë një shufër universale të transferimit të të dhënave, ku mund të lidhen disa karta (moduli) për trajtimin e një sinjali të unifikuar. Zakonisht, në këtë rast, moduli procesor (llogaritësi) futet në atë që quhet strukturë, e cila siguron ndërveprimin përmes shufrës me pajisje të tjera. Strukturimi, ose siç e quajnë profesionistët e vërtetë të automatizimit, "krejt", plotësohet me kartat e nevojshme të përpunimit të të dhënave: analoge, diskrete, ndërfaqësore, etj., ose e gjithë kjo nga njëra anë futet në formën e një sanduiçi pa strukturë — një pllakë mbi tjetrën. Pas kësaj, kjo shumëllojshmëri në shufrë (ISA, PCI, etj.) shkëmben të dhëna me modulin procesor, i cili në këtë mënyrë merr informacion nga sensorët dhe zbaton një logjikë të caktuar.
Kontrolluesi dhe modulët e përpunimit të të dhënave në strukturën PXI mbi shufrën PCI. Burimi:
Gjithçka duket mirë me këto shina ISA, PCI(e) dhe VME, sidomos për ato kohë: as shpejtësia e shkëmbimit nuk është zhgënjyese, as komponentët e sistemit janë të vendosur në një kornizë të vetme, kompakt dhe të përshtatshëm, ndoshta nuk ka zëvendësim të nxehtë të kartave të hyrjes dhe daljes, por për momentin nuk është edhe shumë e nevojshme.
Por ka një lugë katran, dhe jo një. Ndërtimi i një sistemi të shpërndarë është mjaft i komplikuar në një konfigurim të tillë, autobusi i shkëmbimit është lokal, duhet të tjetërsohet diçka për shkëmbimin e të dhënave me njësitë e tjera të nënshtruara ose të barabarta, Modbus mbi TCP/IP ose ndonjë protokoll tjetër, në përgjithësi, ka pak komoditet. Dhe gjëja e dytë, e cila nuk është shumë e këndshme: kartat e hyrjes dhe daljes zakonisht presin një sinjal të unifikuar në hyrje, dhe nuk kanë izolim galvanik me pajisjet në terren, prandaj duhet të krijosh një sistem të ndryshëm me module të ndryshme të konvertimit dhe skematikë të përkohshme, që e komplikon shumë bazën elementare.
Modulet ndihmëse të konvertimit të sinjaleve me izolim galvanik. Burimi:
«Dhe çfarë ndodh me protokollin e komunikimit për autobusin industrial?» — do të pyesni ju. Dhe asgjë. Nuk ekziston në këtë realizim. Shtigjet kabllore çojnë sinjalet nga sensorët në konvertuesit e sinjaleve, konvertuesit shkaktojnë tension në kartën e hyrjeve/daljeve diskrete ose analoge, dhe të dhënat nga karta lexohen përmes porteve të hyrjeve/daljeve, me mjete të sistemit operativ. Dhe asnjë protokoll i specializuar.
Si funksionojnë autobusat dhe protokollat industriale moderne
Dhe çfarë tani? Deri në ditën e sotme, ideologjia klasike për ndërtimin e sistemeve automatizimi ka kaluar disa ndryshime. Roli luajti një sërë faktorësh, duke filluar nga fakti që automatizimi duhet të jetë i përshtatshëm, dhe duke përfunduar me tendencën për sisteme të automatizuara të shpërndara me nyje të largëta nga njëra-tjetra.
Mund të themi se në ditët e sotme ka dy konceptet kryesore për ndërtimin e sistemeve të automatizimit: sistemi të lokalizuara dhe sisteme të automatizuara të shpërndara.
Në rastin e sistemeve të lokalizuara, ku grumbullimi i të dhënave dhe menaxhimi është centralizuar në një vend të caktuar, koncepti i një grupi modulash hyrës-dalës është i kërkuar, të lidhur me një autobuz të përbashkët shpejtësie, duke përfshirë një kontrollues me protokollin e tij të shkëmbimit. Në këtë rast, zakonisht, modulet hyrës-dalës përfshijnë një konvertues sinjali dhe izolim galvanik (pavarësisht se jo gjithmonë). Pra, konsumatori përfundimtar duhet të kuptojë se cilat lloje sensorësh dhe mekanizmash do të jenë të pranishëm në sistemin e automatizuar, të llogarisë numrin e modullave hyrës-dalës të nevojshëm për lloje të ndryshme sinjalesh dhe t'i lidhë ato në një linjë të përbashkët me kontrolluesin. Në këtë rast, zakonisht, çdo prodhues përdor protokollin e tij të preferuar të shkëmbimit midis modullave hyrës-dalës dhe kontrolluesit, dhe ka shumë variante këtu.
Në rastin e sistemeve të shpërndara, të gjitha që janë thënë për sistemet e lokalizuara vlejnë, përveç kësaj, është e rëndësishme që komponentët e veçantë, për shembull, një grup modulash të hyrjes dhe daljeve plus një pajisje për mbledhjen dhe transmetimin e informacionit — një mikrokontroler jo shumë inteligjent që ndodhet diku në një kabinë në fushë, pranë një valvule që mbyll naftën — të mund të komunikojnë me njësitë e ngjashme dhe me kontrolluesin kryesor në një distancë të madhe me një shpejtësi efikase të shkëmbimit.
Si si zhvilluesit zgjedhin protokollin për projektin e tyre? Të gjitha protokollet moderne të shkëmbimit ofrojnë një performancë të lartë, prandaj shpeshherë zgjedhja e prodhuesit të caktuar nuk bazohen në shpejtësinë e shkëmbimit në këtë autobuz industrial. Implementimi i vetë protokollit nuk është aq i rëndësishëm, sepse, nga këndvështrimi i zhvilluesit të sistemit, kjo gjithsesi do të jetë një kuti e zezë që ofron një strukturë të brendshme shkëmbimi dhe nuk është e ndërtuar për ndërhyrje nga jashtë. Shpesh vëmendja përqendrohet te karakteristikat praktike: performanca e njësisë përpunuese, përshtatshmëria e konceptit të prodhuesit për detyrën e caktuar, disponueshmëria e llojeve të nevojshme të moduleve të hyrjes-daljes, mundësia e zëvendësimit të nxehtë të moduleve pa prishjen e autobuzit, etj.
Furnizuesit e njohur të pajisjeve ofrojnë implementime të tyre të protokolleve industriale: për shembull, kompania e njohur Siemens zhvillon serinë e saj të protokolleve Profinet dhe Profibus, kompanitë B&R - protokollin Powerlink, Rockwell Automation - protokollin EtherNet/IP. Një zgjidhje vendase në këtë listë është versioni i protokollit FBUS nga kompania ruse Fastwel.
Ka there janë zgjidhje më universale që nuk lidhen me një prodhues të caktuar, si EtherCAT dhe CAN. Ne do të shqyrtojmë këto protokolle në vazhdim të artikullit dhe do të kuptojmë se cilat prej tyre janë më të përshtatshme për aplikacione të caktuara: industria automobilistike dhe hapësinore, prodhimi i elektronikës, sistemet e pozicionimit dhe robotikës. Qëndroni me ne!
Burimi: habr.com
