Сабирнице и протоколи у индустријској аутоматизацији: како све то функционише

Сигурно многи од вас знају или су чак видели како се контролишу велики аутоматизовани објекти, на пример, нуклеарна електрана или фабрика са много производних линија: главна радња се често одвија у великој просторији, са гомилом паравана, сијалица и даљински управљачи. Овај контролни комплекс се обично назива главна контролна соба - главни контролни панел за праћење производног објекта.

Сигурно сте се питали како све то функционише у хардверском и софтверском смислу, по чему се ови системи разликују од конвенционалних персоналних рачунара. У овом чланку ћемо погледати како различити подаци долазе до главне контролне собе, како се команде шаљу опреми и шта је генерално потребно за управљање компресорском станицом, фабриком за производњу пропана, линијом за склапање аутомобила или чак канализационо пумпно постројење.

Најнижи ниво или сабирница поља је место где све почиње

Овај скуп речи, непознат неупућенима, користи се када је потребно описати средства комуникације између микроконтролера и подређене опреме, на пример, И/О модула или мерних уређаја. Обично се овај комуникациони канал назива „сабирница поља“ јер је одговоран за пренос података који долазе из „поља“ до контролера.

„Поље“ је дубоки стручни термин који се односи на чињеницу да се нека опрема (на пример, сензори или актуатори) са којима је контролор у интеракцији налази негде далеко, далеко, на улици, у пољу, под окриљем ноћи . И нема везе што се сензор може налазити на пола метра од контролера и мерити, рецимо, температуру у ормару за аутоматизацију, ипак се сматра да је „на терену“. Најчешће, сигнали сензора који стижу до И/О модула и даље путују на удаљености од десетина до стотина метара (а понекад и више), прикупљајући информације са удаљених локација или опреме. У ствари, зато се магистрала за размену, преко које контролер прима вредности од истих сензора, обично назива теренска магистрала или, ређе, магистрала нижег нивоа или индустријска магистрала.

Општа шема аутоматизације индустријског објекта

Дакле, електрични сигнал са сензора путује одређено растојање дуж кабловских водова (обично дуж обичног бакарног кабла са одређеним бројем језгара), на који је повезано неколико сензора. Сигнал затим улази у модул за обраду (улазно/излазни модул), где се претвара у дигитални језик разумљив контролеру. Даље, овај сигнал преко фиелд буса иде директно у контролер, где се коначно обрађује. На основу таквих сигнала се гради логика рада самог микроконтролера.

Највиши ниво: од венца до целе радне станице

Горњим нивоом се назива све што може да дотакне обичан смртни оператер који контролише технолошки процес. У најједноставнијем случају, горњи ниво је скуп светала и дугмади. Сијалице сигнализирају оператеру о одређеним догађајима који се дешавају у систему, дугмад се користе за издавање команди контролеру. Овај систем се често назива „герланд” или „божићно дрвце” јер изгледа веома слично (као што можете видети на фотографији на почетку чланка).

Ако оператер има више среће, онда ће као највиши ниво добити оператерску таблу - неку врсту равног рачунара који на овај или онај начин прима податке за приказ од контролера и приказује их на екрану. Такав панел се обично монтира на сам ормарић за аутоматизацију, тако да обично морате да комуницирате са њим док стојите, што изазива непријатности, а квалитет и величина слике на панелима малог формата оставља много да се пожели.

И на крају, атракција невиђене великодушности - радна станица (или чак неколико дупликата), која је обичан лични рачунар.

Опрема вишег нивоа мора на неки начин да комуницира са микроконтролером (иначе зашто је то потребно?). За такву интеракцију користе се протоколи вишег нивоа и одређени медијум за пренос, на пример, Етхернет или УАРТ. У случају „божићне јелке”, такве софистицираности, наравно, нису неопходне, сијалице се пале помоћу обичних физичких линија, ту нема софистицираних интерфејса или протокола.

Генерално, овај горњи ниво је мање интересантан од теренске магистрале, јер овај горњи ниво можда уопште не постоји (оператер нема шта да гледа из серије; контролер ће сам схватити шта треба да се уради и како ).

„Древни” протоколи за пренос података: Модбус и ХАРТ

Мало људи зна, али седмог дана стварања света Бог није упокојио, већ је створио Модбус. Уз ХАРТ протокол, Модбус је можда најстарији индустријски протокол за пренос података; појавио се давне 1979. године.

Серијски интерфејс је првобитно коришћен као преносни медиј, а затим је Модбус имплементиран преко ТЦП/ИП. Ово је синхрони мастер-славе (мастер-славе) протокол који користи принцип захтев-одговор. Протокол је прилично гломазан и спор, брзина размене зависи од карактеристика пријемника и предајника, али обично се броји скоро стотине милисекунди, посебно када се имплементира преко серијског интерфејса.

Штавише, Модбус регистар преноса података је 16-битни, што одмах намеће ограничења за пренос реалних и двоструких типова. Преносе се или у деловима или са губитком тачности. Иако се Модбус и даље широко користи у случајевима када велике брзине комуникације нису потребне и губитак пренетих података није критичан. Многи произвођачи разних уређаја воле да прошире Модбус протокол на свој ексклузиван и врло оригиналан начин, додајући нестандардне функције. Дакле, овај протокол има много мутација и одступања од норме, али и даље успешно живи у савременом свету.
ХАРТ протокол је такође присутан од осамдесетих година, то је индустријски комуникациони протокол преко двожичне струјне петље која директно повезује сензоре од 4-20 мА и друге уређаје који подржавају ХАРТ.

За пребацивање ХАРТ линија користе се специјални уређаји, такозвани ХАРТ модеми. Постоје и претварачи који на излазу обезбеђују кориснику, рецимо, Модбус протокол.

ХАРТ је можда познат по томе што се поред аналогних сигнала сензора од 4-20 мА, у колу преноси и дигитални сигнал самог протокола, што вам омогућава да повежете дигиталне и аналогне делове у једну кабловску линију. Модерни ХАРТ модеми могу бити повезани на УСБ порт контролера, повезани преко Блуетоотх-а или на старомодан начин преко серијског порта. Пре десетак година, по аналогији са Ви-Фи, појавио се бежични стандард ВирелессХАРТ, који ради у ИСМ опсегу.

Друга генерација протокола или не баш индустријске магистрале ИСА, ПЦИ(е) и ВМЕ

Модбус и ХАРТ протоколи су замењени не баш индустријским магистралама, као што су ИСА (МицроПЦ, ПЦ/104) или ПЦИ/ПЦИе (ЦомпацтПЦИ, ЦомпацтПЦИ Сериал, СтацПЦ), као и ВМЕ.

Дошла је ера рачунара који имају на располагању универзалну магистралу података, на коју се могу повезати различите плоче (модули) за обраду одређеног обједињеног сигнала. По правилу се у овом случају процесорски модул (рачунар) убацује у такозвани оквир, који обезбеђује интеракцију преко магистрале са другим уређајима. Оквир, или, како га прави стручњаци за аутоматизацију воле да зову, „гајба“, допуњен је неопходним улазно-излазним плочама: аналогним, дискретним, интерфејсом итд., или је све то састављено у облику сендвича без оквир – једна даска на другу. Након тога, овај варијетет на магистрали (ИСА, ПЦИ, итд.) размењује податке са процесорским модулом, који на тај начин прима информације од сензора и имплементира неку логику.

Контролер и И/О модули у ПКСИ оквиру на ПЦИ магистрали. Извор: Натионал Инструментс Цорпоратион

Све би било у реду са овим ИСА, ПЦИ(е) и ВМЕ магистралама, посебно за та времена: брзина размене није разочаравајућа, а компоненте система су смештене у једном оквиру, компактне и згодне, можда неће бити могуће замене без искључивања. И/О картице, али то још не желим.

Али постоји мува у масти, и то више од једне. Прилично је тешко изградити дистрибуиран систем у таквој конфигурацији, магистрала за размену је локална, треба смислити нешто за размену података са другим славе или пеер чворовима, истим Модбусом преко ТЦП/ИП или неким другим протоколом, у генерално, нема довољно погодности. Па, друга не баш пријатна ствар: И/О плоче обично очекују неку врсту обједињеног сигнала као улаз, а немају галванску изолацију од теренске опреме, па је потребно направити ограду од разних модула за конверзију и међукола, што у великој мери компликује базу елемената.

Модули за конверзију средњег сигнала са галванском изолацијом. Извор: ДатаФортх Цорпоратион

„Шта је са протоколом индустријске магистрале?“ - питате. Ништа. Не постоји у овој имплементацији. Кроз кабловске линије, сигнал путује од сензора до претварача сигнала, претварачи напајају напон на дискретну или аналогну И/О плочу, а подаци са плоче се већ читају кроз И/О портове користећи ОС. И нема специјализованих протокола.

Како функционишу модерне индустријске магистрале и протоколи

Шта сад? До данас се класична идеологија изградње аутоматизованих система мало променила. Многи фактори су играли улогу, почевши од чињенице да аутоматизација такође треба да буде згодна, па до тренда ка дистрибуираним аутоматизованим системима са чворовима удаљеним један од другог.

Можда можемо рећи да постоје два главна концепта за системе аутоматизације зграда данас: локализовани и дистрибуирани аутоматизовани системи.

У случају локализованих система, где су прикупљање и контрола података централизовани на једној специфичној локацији, тражен је концепт одређеног скупа улазно/излазних модула међусобно повезаних заједничком брзом магистралом, укључујући и контролер са сопственим протоколом размене. У овом случају, по правилу, И/О модули укључују и претварач сигнала и галванску изолацију (иако, наравно, не увек). Односно, довољно је да крајњи корисник схвати који типови сензора и механизама ће бити присутни у аутоматизованом систему, избројати број потребних улазно/излазних модула за различите врсте сигнала и повезати их у једну заједничку линију са контролером. . У овом случају, по правилу, сваки произвођач користи свој омиљени протокол размене између И/О модула и контролера, и ту може бити много опција.

У случају дистрибуираних система тачно је све што се каже у вези са локализованим системима, осим тога, важно је да поједине компоненте, на пример, скуп улазно-излазних модула плус уређај за прикупљање и преношење информација – не веома паметан микроконтролер који стоји негде у кабини на терену, поред вентила који искључује уље - могао би да комуницира са истим чворовима и са главним контролером на великој удаљености са ефективним курсом.

Како програмери бирају протокол за свој пројекат? Сви савремени протоколи размене пружају прилично високе перформансе, тако да избор једног или другог произвођача често није одређен курсом на овом индустријском аутобусу. Имплементација самог протокола није толико важна, јер ће, са становишта програмера система, и даље бити црна кутија која обезбеђује одређену унутрашњу структуру размене и није дизајнирана за спољно мешање. Најчешће се пажња поклања практичним карактеристикама: перформансама рачунара, лакоћи примене концепта произвођача на задатак који је пред нама, доступности потребних типова И/О модула, могућности замене модула без квара. аутобус итд.

Популарни добављачи опреме нуде сопствене имплементације индустријских протокола: на пример, позната компанија Сиеменс развија своју серију Профинет и Профибус протокола, Б&Р развија Поверлинк протокол, Роцквелл Аутоматион развија ЕтхерНет/ИП протокол. Домаће решење у овој листи примера: верзија ФБУС протокола руске компаније Фаствел.

Постоје и универзалнија решења која нису везана за одређеног произвођача, као што су ЕтхерЦАТ и ЦАН. Детаљно ћемо анализирати ове протоколе у ​​наставку чланка и открити који од њих су погоднији за специфичне примене: аутомобилску и ваздухопловну индустрију, производњу електронике, системе за позиционирање и роботику. Остати у контакту!

Извор: ввв.хабр.цом