Me sigurtë, shumë prej jush e dinë ose madje kanë parë se si menaxhohen objektet e mëdha automatizuar, siç është një central bërthamor ose një fabrikë me shumë linja teknologjike: veprimi kryesor shpesh ndodh në një dhomë të madhe, me shumë ekrane, llambat dhe pultet. Ky kompleksi i menaxhimit zakonisht quhet GShU - shpina kryesore e menaxhimit për kontrollin e objektit të prodhimit.
Me sigurtë ju ka interesuar si funksionon gjithçka nga perspektiva e harduerit dhe softuerit, se si këto sisteme dallohen nga kompjuterët personalë të zakonshëm. Në këtë artikull do të shqyrtojmë se si të dhënat e ndryshme arrijnë në GShU, si jepen komandat për pajisjet dhe çfarë është e nevojshme për të menaxhuar një stacion kompresor, një instalacion të prodhimit të propanit, një linjë montimi të automjeteve ose madje edhe një stacion pompimi të kanalizimeve.
Niveli i poshtëm ose autobusi i fushës - aty ku gjithçka fillon
Ky grup i paqartë fjalësh për ata që nuk janë të njohur, përdoret kur është e nevojshme të përshkruhen mjetet e komunikimit të mikrocontrollerëve me pajisjet nënshkruese, si moduli input-output ose pajisjet matëse. Zakonisht ky kanal komunikimi quhet "autobusi i fushës", sepse ai është përgjegjës për transmetimin e të dhënave në kontrollues, të cilat vijnë nga "fusha".
"Fusha" është një term profesional i thellë, që tregon se një pajisje (për shembull, ndjesitë ose mekanizmat ekzekutivë), me të cilat kontrolluesi nd interacts, janë diku shumë larg, në natyrë, në fusha, nën mbulimin e natës. Dhe nuk ka rëndësi që ndjesi mund të jetë e vendosur në gjysmë metri nga kontrolluesi dhe të masë, për shembull, temperaturën në kabinetin e automatikës, mbetet për t'u konsideruar se ndodhet "në fushë". Më shpesh, sinjalet me ndjesi, që arrijnë në modulet input-output, kalojnë distanca nga dhjetëra në qindra metra (dhe ndonjëherë edhe më shumë), duke mbledhur informacion nga vende të largëta ose pajisje. Pikërisht për këtë arsye autobusi i shkëmbimit, përmes të cilit kontrolluesi merr vlerat nga këto ndjesi, zakonisht quhet autobusi i fushës ose më rrallë autobusi i nivelit të poshtëm ose autobusi industrial.
Skema e përgjithshme e automatizimit të objektit industrial
Pra, sinjali elektrik nga sensori kalon një distancë përmes linjave kabllore (më shpesh përmes një kablli të zakonshëm bakri me disa fije), të cilat lidhen me disa sensore. Më pas sinjali hyn në modulin e përpunimit (modulin e hyrjes-daljes), ku ai transformohet në një gjuhë digjitale të kuptueshme për kontrollorin. Më pas, ky sinjal arrin direkt në kontrollorin përmes autobusit të fushës, ku përpunimi bëhet përfundimisht. Logjika e funksionimit të vetë mikroprocesorit ndërtuese është e bazuar në këto sinjale.
Niveli i lartë: nga dritat deri te një stacion i plotë pune
Niveli i lartë përfshin gjithçka që mund të prekë një operator i zakonshëm, i cili udhëheq procesin teknologjik. Në rastin më të thjeshtë, niveli i lartë përbëhet nga një grup dritash dhe butonash. Dritat sinjalizojnë operatorin për ndodhitë që ndodhin në sistem, ndërsa butonat shërbejnë për të dhënë komandat në kontrollor. Kjo sistem shpesh quhet "garlandë" ose "ndërlikues", sepse duket shumë e ngjashme (siç mund të konstatoni nga fotografia në fillim të artikullit).
Nëse operatori ka më shumë fat, si nivel i lartë, ai merr një panel operatori - një kompjuter me ekran të sheshtë, i cili në një formë ose tjetër merr të dhënat për t'u shfaqur nga kontrollori dhe i shfaq ato në ekran. Ky panel zakonisht montohet në vetshtimin e automatikës, prandaj interaksioni me të zakonisht bëhet duke qëndruar, që shkakton shqetje, përveç kësaj, cila është cilësia dhe madhësia e imazhit në panele me format të vogël lë shumë për të dëshiruar.
Dhe, për fund, atrakcioni i paanë i bujshmërisë - stacioni i punës (madje disa kopje të tij), i cili është një kompjuter personal i zakonshëm.
Pajisjet e nivelit të lartë duhet të interaktojnë ndonjë mënyrë me mikroprocesorin (ndryshe përse është e nevojshme?). Për këtë ndërveprim përdoren protokollet e nivelit të lartë dhe një mjedis transmetimi, për shembull, Ethernet ose UART. Në rastin e "ndërlikuesit", sigurisht, nuk nevojiten këto finte, dritat ndizet duke përdorur linja fizike të zakonshme, nuk ka ndërfaqe apo protokolle të komplikuara aty.
Në përgjithësi, ky nivel i sipërm është më pak interesant se autobusi fushor, pasi ky nivel i sipërm mund të mos ekzistojë fare (nga seria nuk ka asgjë për të parë operatorin, kontrollori vetë do të kuptojë se çfarë dhe si duhet bërë).
Protokolllet e 'lashta' të transmetimit të të dhënave: Modbus dhe HART
Pak kush e di, por në ditën e shtatë të krijimit të botës, Perëndia nuk pushonte, por krijonte Modbus. Në të njëjtin nivel me protokollin HART, Modbus është ndoshta protokolli më i vjetër i transmetimit të të dhënave industriale, ai u shfaq që në vitin 1979.
Fillimisht, si medium për transmetim është përdorur ndërfaqja seriale, pastaj Modbus u implementua mbi TCP/IP. Ky është një protokoll sinkron sipas skemës 'master-slave' (kryesor-nënshtrues), në të cilin përdoret parimi 'kërkesë-përgjigje'. Protokolli është mjaft i rëndë dhe i ngadaltë, shpejtësia e shkëmbimit varet nga karakteristikat e marrësit dhe dërguesit, por zakonisht llogaritja bëhet pothuajse në qindra milisekonda, veçanërisht në implementimin përmes ndërfaqes seriale.
Për më tepër, regjistri i transmetimit të të dhënave Modbus është 16-bit, që menjëherë vendos kufizime për transmetimin e tipave real dhe double. Ato transmetohen ose në pjesë, ose me humbje saktësie. Megjithatë, Modbus ende përdoret gjerësisht në rastet kur nuk kërkohet një shpejtësi e lartë e shkëmbimit dhe humbja e të dhënave të transmetuara nuk është kritike. Shumë prodhues të pajisjeve të ndryshme pëlqejnë të zgjasin protokollin Modbus në mënyra të veçanta dhe shumë origjinale, duke shtuar funksione jo standarde. Prandaj, ky protokoll ka shumë mutacione dhe devijime nga norma, por gjithsesi vazhdon të jetojë me sukses në botën moderne.
Protokolli HART gjithashtu ekziston që nga vitet '80, ky është një protokoll industrial shkëmbimi mbi një linjë dyfilar të rrjetit të rrymës, në të cilin lidhen direkt sensorë 4-20 mA dhe pajisje të tjera që mbështesin protokollin HART.
Për ndërlidhjen e linjave HART përdoren pajisje të veçanta, të ashtuquajturat HART-modemë. Gjithashtu ekzistojnë konvertorë, të cilët në dalje i japin përdoruesit tashmë, supozoni, protokollin Modbus.
HART është veçanërisht e njohur për faktin se, përveç sinjaleve analoge të sensorëve 4-20 mA, në linjën e transmetimit dërgohet gjithashtu një sinjal digjital i protokollit, duke lejuar bashkimin e pjesës digjitale dhe asaj analoge në një linjë kabllore. Modemët modernë HART mund të lidhen me portin USB të kontrollorit, të lidhen përmes Bluetooth, ose në mënyrë tradicionale përmes portit serial. Disa vite më parë, në përputhje me Wi-Fi, u shfaq edhe standardi pa kabë WirelessHART, që punon në intervalin ISM.
Brezi i dytë i protokolleve ose autobuzët që nuk janë plotësisht industrialë si ISA, PCI(e) dhe VME
Në vend të protokolleve Modbus dhe HART janë shfaqur autobuzë jo plotësisht industrialë, si ISA (MicroPC, PC/104) ose PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), si dhe VME.
Ka ardhur epoka e kalkuluesve që kanë në dispozitë një autobus universal për transfertën e të dhënave, në të cilën mund të lidhin karta (modulet) të ndryshme për përpunimin e një sinjali të unifikuar. Zakonisht, në këto raste, moduli procesor (kalkuluesi) futet në një kornizë të quajtur, e cila siguron ndërveprimin përmes autobusit me pajisje të tjera. Korniza, ose siç e quajnë automatizatorët e vërtetë, 'kreit', plotësohet me kartat e nevojshme të hyrjeve/daljeve: analoge, diskrete, ndërfaqësore etj., ose të gjitha këto bashkohen në formën e një sanduiçi pa kornizë - një kartë mbi një tjetër. Pas kësaj, kjo shumëllojshmëri në autobus (ISA, PCI, etj.) shkëmben të dhëna me modulin procesor, i cili në këtë mënyrë merr informacion nga sensorët dhe realizon një logjikë të caktuar.
Kontrollori dhe modulet e hyrjes/daljeve në kornizën PXI në autobusin PCI. Burimi:
Gjithçka është mirë me këto autobuzë ISA, PCI(e) dhe VME, sidomos për atë kohë: siç është shpejtësia e shkëmbimit nuk është shqetësuese, as komponentët e sistemit nuk janë të shpërndarë, të gjithë janë në një kornizë kompakte dhe të përshtatshme, ndërrimi në ngrohtë i kartave të hyrjes/daljeve mund mos të ndodhi, por ende nuk duket shumë dëshirë për këtë.
Porosija e ka një lugë katran, dhe jo një. Ndërtimi i një sistemi të shpërndarë në një konfiguracion të tillë është mjaft i komplikuar, autobusi i shkëmbimit është lokal, duhet të mendohet për diçka për shkëmbimin e të dhënave me nënstacionet e tjera ose me njësitë e barabarta, Modbus po ashtu mbi TCP/IP ose ndonjë protokoll tjetër, në përgjithësi, komoditetet janë të pakta. Dhe gjëja e dytë e pakëndshme: karta e hyrjes dhe daljes zakonisht pret një sinjal të unifikuar në hyrje, dhe ato nuk kanë izolim galvanik me pajisjet fushore, kështu që duhet të ndërtohet një sistem nga module të ndryshme konvertimi dhe elektronikë ndërmjetësore, e cila e komplikon ndjeshëm bazën elementare.
Module ndërmjetësore për konvertimin e sinjalit me izolim galvanik. Burimi:
"Dhe çfarë ndodh me protokollin e shkëmbimit mbi autobusin industrial?" – do të pyesni ju. Dhe asgjë. Nuk ekziston në një realizim të tillë. Sinyalet përmes linjave kabllore arrijnë nga sensorët në konvertorët e sinjalit, konvertorët japin tension në kartat e hyrjes/daljes diskrete ose analoge, dhe të dhënat nga karta lexohen tashmë përmes porteve të hyrjes/daljes, me anë të mjeteve të OS. Dhe asnjë protokoll i specializuar.
Si funksionojnë autobusat dhe protokollet moderne industriale
Dhe tani çfarë? Deri në ditën e sotme, ideologjia klasike e ndërtimit të sistemeve të automatizuar ka ndryshuar pak. Ka luajtur një rol shumë faktorëve, duke filluar nga ajo që automatizimi gjithashtu duhet të jetë i përshtatshëm, dhe duke përfunduar me tendencën për sisteme të shpërndara të automatizuara me njësitë që janë të largëta nga njëra-tjetra.
Mund të thuhet se konceptet kryesore të ndërtimit të sistemeve të automatizimit sot janë dy: sistemet e automatizuara të lokalizuara dhe ato të shpërndara.
Në rastin e sistemeve të lokalizuara, ku mbledhja e të dhënave dhe menaxhimi janë të centralizuara në një vend të caktuar, koncepti i një grupi modulash hyrjeje-daljeje, të lidhur ndërmjet tyre me një autobus të përgjithshëm të shpejtë, përfshirë një kontrollues me protokollin e tij të shkëmbimit, është i kërkuar. Zakonisht, modulët e hyrje-daljes përfshijnë gjithashtu një konvertues sinjali dhe izolim galvanik (edhe pse, natyrisht, jo gjithmonë). Kështu, konsumatori përfundimtar ka nevojë vetëm të kuptojë se cilat lloje sensorësh dhe mekanizmash do të jenë të pranishme në sistemin e automatizuar, t'i numërojë modulët e nevojshëm të hyrje-daljes për llojet e ndryshme të sinjaleve dhe t'i lidhë ato në një linjë të vetëm me kontrolluesin. Në këtë rast, zakonisht çdo prodhues përdor protokollin e tij të preferuar të shkëmbimit midis modulëve të hyrje-daljes dhe kontrolluesit, dhe ka shumë varianta këtu.
Në rastin e sistemeve të shpërndara, gjithçka që është thënë në lidhje me sistemet e lokalizuara është e vërtetë, përveç se është e rëndësishme që komponentët e veçantë, për shembull, një grup modulash hyrjeje-daljeje plus një pajisje mbledhjeje dhe transmetimi të informacionit - një mikrokontroller jo shumë inteligjent që ndodhet diku në një kabinë në fushë, pranë një ventili që ndalon naftën - të mund të interaktojnë me njësitë e ngjashme dhe me kontrolluesin kryesor në një distancë të madhe me një shpejtësi efektive shkëmbimi.
Si i zgjedhin zhvilluesit protokollin për projektin e tyre? Të gjitha protokollet moderne të shkëmbimit ofrojnë një performancë relativisht të lartë, prandaj shpeshherë zgjedhja e një prodhuesi të caktuar është e kushtëzuar nga jo shpejtësia e shkëmbimit mbi këtë autobus industrial. As realizimi i protokollit vetë nuk është aq i rëndësishëm, sepse, nga perspektiva e zhvilluesit të sistemit, kjo do të jetë një kuti e zezë që siguron një strukturë të brendshme shkëmbimi dhe nuk është e projektuar për ndërhyrje nga jashtë. Shpesh, vëmendja përqendrohet te karakteristikat praktike: performanca e procesorit, lehtësia e aplikimit të konceptit të prodhuesit për detyrën e caktuar, disponueshmëria e llojeve të nevojshme të modulëve të hyrje-daljes, mundësia e ndërrimit të nxehtë të modulëve pa ndërprerjen e autobusit, etj.
Furnizuesit e njohur të pajisjeve ofrojnë zbatime të veta 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 edhe zgjidhje më universale, të cilat nuk janë të lidhura me prodhues të veçantë, si EtherCAT dhe CAN. Ne do t'i shqyrtojmë këto protokolle në vazhdim të artikullit dhe do të zbulojmë se cilat prej tyre janë më të përshtatshme për aplikacione të veçanta: industria automobilistike dhe ajrore, prodhimi i elektronikës, sistemet e pozicionimit dhe robotika. Qëndroni të lidhur!
Burimi: habr.com
