Me siguri shumë prej jush e dinë ose madje kanë parë se si kontrollohen objekte të mëdha të automatizuara, për shembull, një termocentral bërthamor ose një fabrikë me shumë linja prodhimi: veprimi kryesor shpesh zhvillohet në një dhomë të madhe, me një tufë ekranesh, llamba. dhe telekomandat. Ky kompleks kontrolli zakonisht quhet dhoma kryesore e kontrollit - paneli kryesor i kontrollit për monitorimin e objektit të prodhimit.
Me siguri po pyesni veten se si funksionon gjithçka për sa i përket harduerit dhe softuerit, si ndryshojnë këto sisteme nga kompjuterët personalë konvencionalë. Në këtë artikull, ne do të shikojmë se si të dhëna të ndryshme arrijnë në dhomën kryesore të kontrollit, si dërgohen komandat në pajisje dhe çfarë nevojitet në përgjithësi për të kontrolluar një stacion kompresori, një fabrikë prodhimi propan, një linjë montimi makinash, apo edhe një impianti i pompimit të kanalizimeve.
Niveli më i ulët ose fushëbusi është vendi ku fillon gjithçka
Ky grup fjalësh, i paqartë për të pa iniciuarin, përdoret kur është e nevojshme për të përshkruar mjetet e komunikimit midis mikrokontrolluesve dhe pajisjeve vartëse, për shembull, modulet I/O ose pajisjet matëse. Në mënyrë tipike, ky kanal komunikimi quhet "fusha bus" sepse është përgjegjës për transmetimin e të dhënave që vijnë nga "fusha" te kontrolluesi.
"Fusha" është një term i thellë profesional që i referohet faktit se disa pajisje (për shembull, sensorë ose aktivizues) me të cilët ndërvepron kontrolluesi ndodhen diku larg, larg, në rrugë, në fusha, nën mbulesën e natës. . Dhe nuk ka rëndësi që sensori mund të vendoset gjysmë metri nga kontrolluesi dhe të masë, të themi, temperaturën në një kabinet automatizimi, ende konsiderohet se është "në fushë". Më shpesh, sinjalet nga sensorët që mbërrijnë në modulet I/O ende udhëtojnë distanca nga dhjetëra në qindra metra (dhe ndonjëherë më shumë), duke mbledhur informacion nga vende ose pajisje të largëta. Në fakt, kjo është arsyeja pse autobusi i shkëmbimit, përmes të cilit kontrolluesi merr vlera nga të njëjtët sensorë, zakonisht quhet autobus në terren ose, më rrallë, autobus i nivelit më të ulët ose autobus industrial.
Skema e përgjithshme e automatizimit të një objekti industrial
Pra, sinjali elektrik nga sensori përshkon një distancë të caktuar përgjatë linjave kabllore (zakonisht përgjatë një kablli të rregullt bakri me një numër të caktuar bërthamash), në të cilin janë lidhur disa sensorë. Më pas sinjali hyn në modulin e përpunimit (moduli hyrës/dalës), ku konvertohet në një gjuhë dixhitale të kuptueshme për kontrolluesin. Më pas, ky sinjal nëpërmjet autobusit të fushës shkon drejtpërdrejt në kontrollues, ku më në fund përpunohet. Bazuar në sinjale të tilla, ndërtohet logjika e funksionimit të vetë mikrokontrolluesit.
Niveli i lartë: nga një kurorë në një stacion të tërë pune
Niveli i sipërm quhet gjithçka që mund të preket nga një operator i zakonshëm i vdekshëm që kontrollon procesin teknologjik. Në rastin më të thjeshtë, niveli i lartë është një grup dritash dhe butonash. Llambat sinjalizojnë operatorin për ngjarje të caktuara që ndodhin në sistem, butonat përdoren për të lëshuar komanda për kontrolluesin. Ky sistem shpesh quhet "kurorë" ose "pema e Krishtlindjeve" sepse duket shumë e ngjashme (siç mund ta shihni nga fotografia në fillim të artikullit).
Nëse operatori është më me fat, atëherë si niveli i lartë ai do të marrë një panel operatori - një lloj kompjuteri me panel të sheshtë që në një mënyrë ose në një tjetër merr të dhëna për shfaqje nga kontrolluesi dhe i shfaq ato në ekran. Një panel i tillë zakonisht montohet në vetë kabinetin e automatizimit, kështu që zakonisht duhet të ndërveproni me të ndërsa qëndroni në këmbë, gjë që shkakton bezdi, plus cilësia dhe madhësia e imazhit në panelet me format të vogël lë shumë për të dëshiruar.
Dhe së fundi, një tërheqje e bujarisë së paparë - një stacion pune (ose edhe disa dublikatë), i cili është një kompjuter personal i zakonshëm.
Pajisjet e nivelit të lartë duhet të ndërveprojnë në një farë mënyre me mikrokontrolluesin (përndryshe pse nevojitet?). Për një ndërveprim të tillë, përdoren protokollet e nivelit të lartë dhe një medium i caktuar transmetimi, për shembull, Ethernet ose UART. Në rastin e "pemës së Krishtlindjes", sofistikime të tilla, natyrisht, nuk janë të nevojshme; llambat ndizen duke përdorur linja të zakonshme fizike, nuk ka ndërfaqe ose protokolle të sofistikuara.
Në përgjithësi, ky nivel i sipërm është më pak interesant se autobusi në terren, pasi ky nivel i sipërm mund të mos ekzistojë fare (nuk ka asgjë që operatori të shikojë nga seria; vetë kontrolluesi do të kuptojë se çfarë duhet bërë dhe si ).
Protokollet "antike" të transferimit të të dhënave: Modbus dhe HART
Pak njerëz e dinë, por në ditën e shtatë të krijimit të botës, Zoti nuk pushoi, por krijoi Modbus. Së bashku me protokollin HART, Modbus është ndoshta protokolli më i vjetër industrial i transferimit të të dhënave; ai u shfaq në vitin 1979.
Ndërfaqja serike fillimisht u përdor si një medium transmetimi, më pas Modbus u implementua mbi TCP/IP. Ky është një protokoll sinkron master-slave (master-slave) që përdor parimin kërkesë-përgjigje. Protokolli është mjaft i rëndë dhe i ngadaltë, shpejtësia e shkëmbimit varet nga karakteristikat e marrësit dhe transmetuesit, por zakonisht numërimi është pothuajse qindra milisekonda, veçanërisht kur zbatohet përmes një ndërfaqe serike.
Për më tepër, regjistri i transferimit të të dhënave Modbus është 16-bit, i cili menjëherë vendos kufizime në transferimin e llojeve reale dhe të dyfishta. Ato transmetohen ose në pjesë ose me humbje të saktësisë. Edhe pse Modbus përdoret ende gjerësisht në rastet kur shpejtësitë e larta të komunikimit nuk nevojiten dhe humbja e të dhënave të transmetuara nuk është kritike. Shumë prodhues të pajisjeve të ndryshme pëlqejnë të zgjerojnë protokollin Modbus në mënyrën e tyre ekskluzive dhe shumë origjinale, duke shtuar funksione jo standarde. Prandaj, ky protokoll ka shumë mutacione dhe devijime nga norma, por ende jeton me sukses në botën moderne.
Protokolli HART ka ekzistuar gjithashtu që nga vitet tetëdhjetë, ai është një protokoll komunikimi industrial mbi një linjë të rrymës me dy tela që lidh drejtpërdrejt sensorë 4-20 mA dhe pajisje të tjera të aktivizuara me HART.
Për ndërrimin e linjave HART, përdoren pajisje speciale, të ashtuquajturat modem HART. Ekzistojnë gjithashtu konvertues që i ofrojnë përdoruesit, të themi, protokollin Modbus në dalje.
HART është ndoshta i dukshëm për faktin se përveç sinjaleve analoge të sensorëve 4-20 mA, sinjali dixhital i vetë protokollit transmetohet gjithashtu në qark, kjo ju lejon të lidhni pjesët dixhitale dhe analoge në një linjë kabllore. Modemët modernë HART mund të lidhen me portën USB të kontrolluesit, të lidhen me Bluetooth ose në mënyrën e vjetër përmes një porti serik. Një duzinë vjet më parë, për analogji me Wi-Fi, u shfaq standardi pa tel WirelessHART, që vepron në rangun ISM.
Gjenerata e dytë e protokolleve ose autobusët jo mjaft industrialë ISA, PCI(e) dhe VME
Protokollet Modbus dhe HART janë zëvendësuar nga autobusë jo mjaft industrialë, si ISA (MicroPC, PC/104) ose PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), si dhe VME.
Ka ardhur epoka e kompjuterëve që kanë në dispozicion një autobus universal të të dhënave, ku mund të lidhen tabela (module) të ndryshme për të përpunuar një sinjal të caktuar të unifikuar. Si rregull, në këtë rast, moduli i procesorit (kompjuteri) futet në të ashtuquajturën kornizë, e cila siguron ndërveprim përmes autobusit me pajisje të tjera. Korniza, ose, siç duan ta quajnë ekspertët e vërtetë të automatizimit, "arkë", plotësohet me bordet e nevojshme hyrëse-dalëse: analoge, diskrete, ndërfaqe, etj., ose e gjithë kjo bashkohet në formën e një sanduiçi pa një kornizë - një tabelë në majë të tjetrës. Pas kësaj, ky varietet në autobus (ISA, PCI, etj.) shkëmben të dhëna me modulin e procesorit, i cili kështu merr informacion nga sensorët dhe zbaton njëfarë logjike.
Kontrolluesi dhe modulet I/O në një kornizë PXI në një autobus PCI. Burimi:
Gjithçka do të ishte në rregull me këta autobusë ISA, PCI(e) dhe VME, veçanërisht për ato kohë: shpejtësia e shkëmbimit nuk është zhgënjyese dhe përbërësit e sistemit janë të vendosur në një kornizë të vetme, kompakte dhe të përshtatshme, mund të mos ketë të këmbyeshëm. Kartat I/O, por nuk dua ende.
Por ka një mizë në vaj, dhe më shumë se një. Është mjaft e vështirë të ndërtosh një sistem të shpërndarë në një konfigurim të tillë, autobusi i shkëmbimit është lokal, duhet të dalësh me diçka për të shkëmbyer të dhëna me nyje të tjera skllav ose peer, i njëjti Modbus mbi TCP/IP ose ndonjë protokoll tjetër, në në përgjithësi, nuk ka komoditete të mjaftueshme. Epo, gjëja e dytë jo shumë e këndshme: bordet I/O zakonisht presin një lloj sinjali të unifikuar si hyrje, dhe ato nuk kanë izolim galvanik nga pajisjet në terren, kështu që ju duhet të bëni një gardh nga module të ndryshme konvertimi dhe qark të ndërmjetëm, gjë që e ndërlikon shumë bazën e elementit.
Modulet e ndërmjetme të konvertimit të sinjalit me izolim galvanik. Burimi:
"Po në lidhje me protokollin industrial të autobusëve?" - ju pyesni. Asgjë. Nuk ekziston në këtë zbatim. Nëpërmjet linjave kabllore, sinjali udhëton nga sensorët në konvertuesit e sinjalit, konvertuesit furnizojnë tensionin në një tabelë I/O diskrete ose analoge dhe të dhënat nga tabela lexohen tashmë përmes porteve I/O duke përdorur sistemin operativ. Dhe nuk ka protokolle të specializuara.
Si funksionojnë autobusët dhe protokollet industriale moderne
Po tani? Deri më sot, ideologjia klasike e ndërtimit të sistemeve të automatizuara ka ndryshuar pak. Shumë faktorë luajtën një rol, duke filluar me faktin se automatizimi duhet të jetë gjithashtu i përshtatshëm dhe duke përfunduar me tendencën drejt sistemeve të automatizuara të shpërndara me nyje të largëta nga njëri-tjetri.
Ndoshta mund të themi se ekzistojnë dy koncepte kryesore për ndërtimin e sistemeve të automatizimit sot: sistemet e automatizuara të lokalizuara dhe të shpërndara.
Në rastin e sistemeve të lokalizuara, ku mbledhja dhe kontrolli i të dhënave janë të centralizuara në një vendndodhje specifike, koncepti i një grupi të caktuar modulesh hyrëse/dalëse të ndërlidhura nga një autobus i zakonshëm i shpejtë, duke përfshirë një kontrollues me protokollin e vet të shkëmbimit, është i kërkuar. Në këtë rast, si rregull, modulet I/O përfshijnë si një konvertues sinjali ashtu edhe një izolim galvanik (megjithëse, natyrisht, jo gjithmonë). Kjo do të thotë, mjafton që përdoruesi fundor të kuptojë se çfarë lloje të sensorëve dhe mekanizmave do të jenë të pranishëm në sistemin e automatizuar, të numërojë numrin e moduleve hyrëse/dalëse të nevojshme për lloje të ndryshme sinjalesh dhe t'i lidhë ato në një linjë të përbashkët me kontrolluesin. . Në këtë rast, si rregull, çdo prodhues përdor protokollin e tij të preferuar të shkëmbimit midis moduleve I/O dhe kontrolluesit, dhe këtu mund të ketë shumë opsione.
Në rastin e sistemeve të shpërndara, gjithçka që thuhet në lidhje me sistemet e lokalizuara është e vërtetë, përveç kësaj, është e rëndësishme që komponentët individualë, për shembull, një grup modulesh hyrëse-dalëse plus një pajisje për mbledhjen dhe transmetimin e informacionit - jo mikrokontrollues shumë i zgjuar që qëndron diku në një kabinë në fushë, pranë valvulës që mbyll vajin - mund të ndërveprojë me të njëjtat nyje dhe me kontrolluesin kryesor në një distancë të madhe me një kurs këmbimi efektiv.
Si e zgjedhin zhvilluesit një protokoll për projektin e tyre? Të gjitha protokollet moderne të shkëmbimit ofrojnë performancë mjaft të lartë, kështu që zgjedhja e një ose një prodhuesi tjetër shpesh nuk përcaktohet nga kursi i këmbimit në këtë autobus shumë industrial. Zbatimi i protokollit në vetvete nuk është aq i rëndësishëm, sepse, nga këndvështrimi i zhvilluesit të sistemit, do të jetë akoma një kuti e zezë që siguron një strukturë të caktuar shkëmbimi të brendshëm dhe nuk është krijuar për ndërhyrje të jashtme. Më shpesh, vëmendja i kushtohet karakteristikave praktike: performanca e kompjuterit, lehtësia e aplikimit të konceptit të prodhuesit në detyrën në fjalë, disponueshmëria e llojeve të kërkuara të moduleve I/O, aftësia për të shkëmbyer module të nxehta pa u prishur. autobusi etj.
Furnizuesit e pajisjeve të njohura ofrojnë implementimet e tyre të protokolleve industriale: për shembull, kompania e njohur Siemens po zhvillon serinë e saj të protokolleve Profinet dhe Profibus, B&R po zhvillon protokollin Powerlink, Rockwell Automation po zhvillon protokollin EtherNet/IP. Një zgjidhje e brendshme në këtë listë shembujsh: një version i protokollit FBUS nga kompania ruse Fastwel.
Ekzistojnë gjithashtu zgjidhje më universale që nuk janë të lidhura me një prodhues specifik, si EtherCAT dhe CAN. Ne do t'i analizojmë këto protokolle në detaje në vazhdimin e artikullit dhe do të kuptojmë se cilat prej tyre janë më të përshtatshme për aplikime specifike: industritë e automobilave dhe hapësirës ajrore, prodhimi elektronik, sistemet e pozicionimit dhe robotika. Qëndroni në kontakt!
Burimi: www.habr.com