Sannolikt kĂ€nner mĂ„nga av er till, eller till och med har sett, hur stora automatiserade objekt, som kĂ€rnkraftverk eller fabriker med mĂ„nga produktionslinjer, styrs: den huvudsakliga verksamheten sker ofta i ett stort rum med massor av skĂ€rmar, lampor och kontrollpaneler. Detta styrsystem kallas vanligtvis GĆ U â huvudstyrskölden för att övervaka produktionsobjektet.
Sannolikt har du undrat hur allt detta fungerar ur bĂ„de hĂ„rdvaru- och mjukvaruperspektiv, samt hur dessa system skiljer sig frĂ„n vanliga persondatorer. I den hĂ€r artikeln kommer vi att undersöka hur olika data gĂ„r till GĆ U, hur kommandon skickas till utrustningen och vad som egentligen krĂ€vs för att styra en kompressorstation, en propanproduktionsanlĂ€ggning, en bilmonteringslinje eller till och med en avloppspumpstation.
NivĂ„ ett eller fĂ€ltbuss â dĂ€r allt börjar
Denna oklara uppsÀttning ord för de oinvigda anvÀnds nÀr man behöver beskriva kommunikationsmedlen mellan mikrokontrollerna och den underordnade utrustningen, till exempel I/O-moduler eller mÀtanordningar. Vanligtvis kallas denna kommunikationskanal "fÀltbussen" eftersom den ansvarar för att överföra data till kontroller frÄn "fÀltet".
"FÀltet" Àr ett djupt professionellt begrepp som beskriver att viss utrustning (som sensorer eller styrdon) med vilken kontrollern interagerar, befinner sig lÄngt borta, ute pÄ fÀltet, i natten. Och det spelar ingen roll att sensorn kan vara placerad en halv meter frÄn kontrollern och mÀta, till exempel, temperaturen i automationsskÄpet, den anses fortfarande vara "ute pÄ fÀltet". Oftast övervinner signalerna frÄn sensorerna som kommer till I/O-modulerna avstÄnd frÄn tiotals till hundratals meter (ibland Ànnu mer), och samlar information frÄn avlÀgsna platser eller utrustning. DÀrför kallas ofta den kommunikationsbuss genom vilken kontroller fÄr vÀrden frÄn dessa sensorer för fÀltbuss eller mer sÀllan för nivÄbuss eller industribuss.
Ăversikt över automatisering av industriella objekt
SÄ en elektrisk signal frÄn sensorn fÀrdas en viss strÀcka genom kabellinjer (ofta genom vanlig kopparkabel med ett visst antal ledningar), som flera sensorer Àr anslutna till. Sedan nÄr signalen bearbetningsmodulen (in- och utgÄngsmodulen), dÀr den omvandlas till ett digitalt sprÄk som förstÄs av styrenheten. DÀrefter nÄr signalen direkt styrenheten via fÀltbuss, dÀr den behandlas slutgiltigt. Baserat pÄ dessa signaler bygger logiken för mikrokontrollern.
Ăvergripande nivĂ„: frĂ„n ljusslinga till hela arbetsstationer
Den övergripande nivÄn kallas allt som en vanlig operatör kan interagera med i det tekniska processen. I det enklaste fallet bestÄr den övergripande nivÄn av ett antal lampor och knappar. Lamporna signalerar för operatören om vissa hÀndelser i systemet, medan knapparna anvÀnds för att ge kommandon till styrenheten. Ett sÄdant system kallas ofta för "ljusslinga" eller "julgran", eftersom det ser mycket likt ut (som man kan se pÄ bilden i början av artikeln).
Om operatören har mer tur, fÄr hen en operatörspanel - en slags platt datorskÀrm som pÄ nÄgot sÀtt fÄr data att visa frÄn styrenheten och visar dem pÄ skÀrmen. En sÄdan panel monteras vanligtvis pÄ automationsskÄpet, vilket gör att man oftast mÄste stÄ nÀr man interagerar med den, vilket kan vara obehagligt, dessutom Àr bildkvaliteten och storleken pÄ bildskÀrmen pÄ smÄ paneler ofta under förvÀntan.
Och slutligen, en osannolik generositet - en arbetsstation (eller flera duplicerade), som utgör en vanlig personlig dator.
Utrustningen pÄ den övergripande nivÄn mÄste pÄ nÄgot sÀtt interagera med mikrokontrollern (annars, varför skulle den behövas?). För sÄdan interaktion anvÀnds protokoll för övergripande nivÄ och nÄgon typ av överföringsmedium, till exempel Ethernet eller UART. I fallet med "julgranen" behövs sÄdana komplicerade lösningar förstÄs inte, lamporna tÀnds med hjÀlp av vanliga fysiska linjer, och dÀr finns inga komplicerade grÀnssnitt eller protokoll.
Generellt sett Àr denna övergripande nivÄ mindre intressant Àn fÀltbussen, eftersom denna övergripande nivÄ kanske inte alls finns (i serien finns det ingenting för operatören att titta pÄ, kontrollern klarar sig sjÀlv med vad som behöver göras).
«Utdöda» datakommunikationsprotokoll: Modbus och HART
FÄ vet, men pÄ den sjunde dagen av skapelsen vilade inte Gud, utan skapade Modbus. Tillsammans med HART-protokollet Àr Modbus kanske det Àldsta industriella datakommunikationsprotokollet, som kom redan 1979.
Som medium för överföring anvÀndes ursprungligen en seriell grÀnssnitt och senare implementerades Modbus ovanpÄ TCP/IP. Det Àr ett synkront protokoll enligt «master-slave»-modellen, dÀr principen «frÄga-svar» anvÀnds. Protokollet Àr ganska tungt och lÄngsamt, överföringshastigheten beror pÄ egenskaperna hos mottagaren och sÀndaren, men vanligtvis handlar det om hundratals millisekunder, sÀrskilt i implementeringar via seriellt grÀnssnitt.
Dessutom Àr Modbus datatransmission registrerad som 16-bitars, vilket omedelbart lÀgger begrÀnsningar pÄ överföring av real- och double-typer. De överförs antingen i delar eller med en förlust i precision. Trots att Modbus fortfarande Àr allmÀnt anvÀnt i situationer dÀr hög överföringshastighet inte Àr nödvÀndig och förlust av överförda data inte Àr kritisk. MÄnga tillverkare av olika enheter gillar att utöka Modbus-protokollet pÄ sina egna unika och mycket kreativa sÀtt genom att lÀgga till icke-standardfunktioner. DÀrför har detta protokoll mÄnga mutationer och avvikelser frÄn normen, men det lever fortfarande framgÄngsrikt i den moderna vÀrlden.
HART-protokollet har ocksÄ funnits sedan Ättiotalet, det Àr ett industriellt protokoll för utbyte över en tvÄtrÄdslinjens strömloop, dÀr 4-20 mA sensorer och andra apparater som stöder HART-protokollet ansluts direkt.
För att koppla HART-linjer anvÀnds specialenheter, sÄ kallade HART-modem. Det finns ocksÄ konvertorer som ger anvÀndaren exempelvis Modbus-protokollet i utgÄngen.
HART Àr anmÀrkningsvÀrt, delvis för att det förutom analoga signalsensorer 4-20 mA ocksÄ överför en digital signal för sjÀlva protokollet, vilket möjliggör att kombinera den digitala och analoga delen i en och samma kabelledning. Moderna HART-modem kan anslutas till USB-porten pÄ kontrollern, kopplas via Bluetooth, eller pÄ det gamla sÀttet genom en seriell port. För ett decennium sedan kom det trÄdlösa standarden WirelessHART, i likhet med Wi-Fi, som fungerar i ISM-frekvensbandet.
Den andra generationen av protokoll eller inte helt industriella bussar som ISA, PCI(e) och VME.
I stÀllet för Modbus- och HART-protokollen kom det inte helt industriella bussar som ISA (MicroPC, PC/104) eller PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), samt VME.
En era av berĂ€kningsenheter har anlĂ€nt, med en universell databasbuss för att ansluta olika kort (moduler) för att bearbeta en enhetlig signal. Vanligtvis sĂ€tts processor modulen (berĂ€kningsenhet) in i den sĂ„ kallade ramen, vilken sĂ€kerstĂ€ller interaktion via bussen med andra enheter. Ramen, eller som Ă€kta automatiserare kallar det, "cratet", kompletteras med nödvĂ€ndiga in- och utgĂ„ngskort: analoga, diskreta, grĂ€nssnitt osv., eller allt detta pressas samman som ett sandwich utan ram â ett kort ovanpĂ„ ett annat. Efter detta utbyter denna mĂ„ngfald pĂ„ bussen (ISA, PCI, etc.) data med processor modulen, som pĂ„ sĂ„ sĂ€tt fĂ„r information frĂ„n sensorer och genomför en viss logik.
Kontrollern och in- och utgÄngsmodulerna i PXI-chassit pÄ PCI-bussen. KÀlla:
Det skulle vara okej med dessa bussar ISA, PCI(e) och VME, sÀrskilt för de tiderna: bÄde hastigheten för datautbyte Àr ok, och komponenterna i systemet Àr placerade i en gemensam ram, kompakt och praktiskt, det kanske inte finns möjlighet för att byta in- och utgÄngskort under drift, men man önskar det inte heller riktigt Àn.
Men det finns en sked tjÀra, och inte bara en. Att bygga ett distribuerat system i en sÄdan konfiguration Àr ganska komplicerat, den lokala bussöverföringen krÀver att man hittar nÄgot för att utbyta data med andra underordnade eller jÀmlika noder, som Modbus över TCP/IP eller nÄgon annan protokoll, sÄ fördelarna Àr ganska fÄ. Den andra otrevliga saken Àr att in- och utgÄngskort vanligtvis förvÀntar sig en nÄgon form av standardiserad signal som ingÄng, och de har ingen galvanisk isolering med fÀltutrustningen, sÄ man mÄste bygga en massa olika konverteringsmoduler och mellanliggande kretsar, vilket komplicerar komponentbasen avsevÀrt.
Mellanliggande signalomvandlingsmoduler med galvanisk isolering. KĂ€lla:
"Och hur Ă€r det med kommunikationsprotokollet över industriella bussar?" â frĂ„gar ni. Jo, det finns inget. Det finns inget i genomförandet. Via kabelledningar nĂ„r signalerna frĂ„n sensorerna omvandlarna, som ger ut spĂ€nning till en diskret eller analog in- och utgĂ„ngskort, och data frĂ„n kortet lĂ€ses redan via in- och utgĂ„ngsportarna, med hjĂ€lp av operativsystemet. Och inga specialiserade protokoll.
Hur moderna industriella bussar och protokoll fungerar
Vad hÀnder nu? Vid dagens datum har den klassiska ideologin för byggandet av automatiserade system förÀndrats nÄgot. MÄnga faktorer har spelat in, frÄn att automatisering ocksÄ mÄste vara bekvÀm, till trenden mot distribuerade automatiserade system med avlÀgsna noder.
Man kan nog sÀga att det idag finns tvÄ huvudsakliga koncept för byggandet av automationssystem: lokala och distribuerade automatiserade system.
I fallet med lokaliserade system, dÀr data insamlas och hanteras centralt pÄ en specifik plats, efterfrÄgas konceptet av ett visst set av in- och utmoduler, kopplade till varandra genom en gemensam snabb buss, inklusive en kontroller med sin egen kommunikationsprotokoll. I allmÀnhet inkluderar in- och utmoduler Àven en signalomvandlare och galvanisk isolering (Àven om det inte alltid Àr fallet). Det vill sÀga, den slutliga anvÀndaren behöver bara förstÄ vilka typer av sensorer och mekanismer som kommer att finnas i det automatiserade systemet, rÀkna antalet nödvÀndiga in- och utmoduler för olika typer av signaler och koppla dem till en gemensam linje med kontrolleren. I detta fall anvÀnder varje tillverkare vanligtvis sitt föredragna kommunikationsprotokoll mellan in- och utmoduler och kontroller, och det finns mÄnga olika alternativ.
I fallet med distribuerade system gĂ€ller allt som sagts om lokaliserade system, med den skillnaden att det Ă€r viktigt att separata komponenter, till exempel en uppsĂ€ttning in- och utmoduler plus en enhet för insamling och överföring av information â en inte sĂ„ intelligent mikrokontroller som stĂ„r nĂ„gonstans i en hytt pĂ„ fĂ€ltet, nĂ€ra en kran som stĂ€nger av oljan â kan interagera med liknande enheter och med huvudkontrollen pĂ„ stort avstĂ„nd med effektiv kommunikationshastighet.
Hur vÀljer utvecklare protokoll för sina projekt? Alla moderna kommunikationsprotokoll erbjuder ganska hög prestanda, sÄ valet av en viss tillverkare baseras ofta inte pÄ kommunikationshastigheten över den industriella bussen. Implementeringen av protokollet Àr inte heller sÄ viktig, eftersom det ur systemutvecklarens synvinkel ÀndÄ kommer att vara en svart lÄda som tillhandahÄller en viss intern strukturell kommunikation och inte Àr tÀnkt för extern inblandning. Oftast uppmÀrksammas praktiska egenskaper: processorns prestanda, anvÀndarvÀnligheten av tillverkarens koncept för den aktuella uppgiften, tillgÄngen pÄ nödvÀndiga typer av in- och utmoduler, möjligheten till hot-swap av moduler utan att bryta bussen, etc.
PopulĂ€ra hĂ„rdvaruleverantörer erbjuder egna implementationer av industriella protokoll: till exempel utvecklar det vĂ€lkĂ€nda företaget Siemens sin serie protokoll Profinet och Profibus, företaget B&R â protokollet Powerlink, Rockwell Automation â protokollet EtherNet/IP. En inhemsk lösning i denna lista av exempel: versionen av protokollet FBUS frĂ„n det ryska företaget Fastwel.
Det finns ocksÄ mer universella lösningar som inte Àr knutna till en specifik tillverkare, sÄsom EtherCAT och CAN. Vi kommer att gÄ igenom dessa protokoll i detalj i fortsÀttningen av artikeln och ta reda pÄ vilka av dem som passar bÀst för specifika tillÀmpningar: fordons- och rymdindustrin, elektroniktillverkning, positionssystem och robotik. HÄll kontakten!
KĂ€lla: habr.com
