Tiyak na marami sa inyo ang nakakaalam o nakakita pa nga kung paano kinokontrol ang malalaking automated na bagay, halimbawa, isang nuclear power plant o isang pabrika na may maraming linya ng produksyon: ang pangunahing aksyon ay madalas na nagaganap sa isang malaking silid, na may isang bungkos ng mga screen, mga bombilya. at mga remote control. Ang control complex na ito ay karaniwang tinatawag na pangunahing control room - ang pangunahing control panel para sa pagsubaybay sa pasilidad ng produksyon.
Tiyak na nagtataka ka kung paano gumagana ang lahat sa mga tuntunin ng hardware at software, kung paano naiiba ang mga system na ito mula sa kumbensyonal na mga personal na computer. Sa artikulong ito, titingnan natin kung paano napupunta ang iba't ibang data sa pangunahing control room, kung paano ipinapadala ang mga command sa kagamitan, at kung ano ang karaniwang kailangan para makontrol ang isang compressor station, isang propane production plant, isang car assembly line, o kahit isang planta ng pumping ng alkantarilya.
Ang pinakamababang antas o fieldbus ay kung saan nagsisimula ang lahat
Ang hanay ng mga salita na ito, na hindi malinaw sa mga hindi pa nakakaalam, ay ginagamit kapag kinakailangan upang ilarawan ang mga paraan ng komunikasyon sa pagitan ng mga microcontroller at subordinate na kagamitan, halimbawa, mga I/O module o mga aparato sa pagsukat. Kadalasan ang channel ng komunikasyon na ito ay tinatawag na "field bus" dahil responsable ito sa pagpapadala ng data na nagmumula sa "field" patungo sa controller.
Ang "Field" ay isang malalim na terminong propesyonal na tumutukoy sa katotohanan na ang ilang kagamitan (halimbawa, mga sensor o actuator) kung saan nakikipag-ugnayan ang controller ay matatagpuan sa isang lugar na malayo, malayo, sa kalye, sa mga bukid, sa ilalim ng takip ng gabi. . At hindi mahalaga na ang sensor ay matatagpuan kalahating metro mula sa controller at sukatin, sabihin, ang temperatura sa isang automation cabinet, isinasaalang-alang pa rin na ito ay "nasa field." Kadalasan, ang mga signal mula sa mga sensor na dumarating sa mga module ng I/O ay naglalakbay pa rin ng mga distansya mula sampu hanggang daan-daang metro (at minsan higit pa), nangongolekta ng impormasyon mula sa mga malalayong site o kagamitan. Sa totoo lang, iyan ang dahilan kung bakit ang exchange bus, kung saan ang controller ay tumatanggap ng mga halaga mula sa parehong mga sensor, ay karaniwang tinatawag na field bus o, hindi gaanong karaniwan, isang lower-level na bus o isang pang-industriyang bus.
Pangkalahatang pamamaraan ng automation ng isang pang-industriyang pasilidad
Kaya, ang de-koryenteng signal mula sa sensor ay naglalakbay sa isang tiyak na distansya kasama ang mga linya ng cable (karaniwan ay kasama ang isang regular na tansong cable na may isang tiyak na bilang ng mga core), kung saan ang ilang mga sensor ay konektado. Ang signal pagkatapos ay pumapasok sa processing module (input/output module), kung saan ito ay na-convert sa isang digital na wika na mauunawaan ng controller. Susunod, ang signal na ito sa pamamagitan ng field bus ay direktang pumupunta sa controller, kung saan ito sa wakas ay naproseso. Batay sa naturang mga signal, ang operating logic ng microcontroller mismo ay binuo.
Nangungunang antas: mula sa isang garland hanggang sa isang buong workstation
Ang itaas na antas ay tinatawag na lahat ng bagay na maaaring mahawakan ng isang ordinaryong mortal na operator na kumokontrol sa teknolohikal na proseso. Sa pinakasimpleng kaso, ang pinakamataas na antas ay isang hanay ng mga ilaw at mga pindutan. Ang mga ilaw na bombilya ay nagbibigay ng senyales sa operator tungkol sa ilang mga kaganapan na nagaganap sa system, ang mga pindutan ay ginagamit upang magbigay ng mga utos sa controller. Ang sistemang ito ay madalas na tinatawag na "garland" o "Christmas tree" dahil halos magkapareho ito (tulad ng makikita mo mula sa larawan sa simula ng artikulo).
Kung ang operator ay mas mapalad, pagkatapos bilang pinakamataas na antas ay makakakuha siya ng isang panel ng operator - isang uri ng flat-panel na computer na sa isang paraan o iba pa ay tumatanggap ng data para sa pagpapakita mula sa controller at ipinapakita ito sa screen. Ang ganitong panel ay kadalasang naka-mount sa automation cabinet mismo, kaya karaniwan mong kailangang makipag-ugnayan dito habang nakatayo, na nagdudulot ng abala, kasama ang kalidad at laki ng imahe sa mga panel na may maliit na format ay nag-iiwan ng maraming nais.
At sa wakas, isang atraksyon ng walang uliran na pagkabukas-palad - isang workstation (o kahit ilang mga duplicate), na isang ordinaryong personal na computer.
Ang mga kagamitan sa itaas na antas ay dapat makipag-ugnayan sa ilang paraan sa microcontroller (kung hindi, bakit ito kailangan?). Para sa naturang pakikipag-ugnayan, ginagamit ang mga upper-level na protocol at isang partikular na transmission medium, halimbawa, Ethernet o UART. Sa kaso ng "Christmas tree", ang gayong mga sopistikado, siyempre, ay hindi kinakailangan; ang mga bombilya ay naiilawan gamit ang mga ordinaryong pisikal na linya, walang mga sopistikadong interface o protocol doon.
Sa pangkalahatan, ang itaas na antas na ito ay hindi gaanong kawili-wili kaysa sa field bus, dahil ang itaas na antas na ito ay maaaring wala sa lahat (walang dapat tingnan ng operator mula sa serye; ang controller mismo ang makakaalam kung ano ang kailangang gawin at kung paano ).
Mga protocol ng paglilipat ng data na "sinaunang": Modbus at HART
Ilang tao ang nakakaalam, ngunit sa ikapitong araw ng paglikha ng mundo, ang Diyos ay hindi nagpahinga, ngunit nilikha ang Modbus. Kasama ng HART protocol, Modbus ay marahil ang pinakalumang pang-industriya na data transfer protocol; ito ay lumitaw noong 1979.
Ang serial interface ay unang ginamit bilang transmission medium, pagkatapos ay ipinatupad ang Modbus sa TCP/IP. Ito ay isang synchronous master-slave (master-slave) protocol na gumagamit ng request-response principle. Ang protocol ay medyo mahirap at mabagal, ang bilis ng palitan ay nakasalalay sa mga katangian ng receiver at transmitter, ngunit kadalasan ang bilang ay halos daan-daang millisecond, lalo na kapag ipinatupad sa pamamagitan ng serial interface.
Bukod dito, ang rehistro ng paglipat ng data ng Modbus ay 16-bit, na agad na nagpapataw ng mga paghihigpit sa paglilipat ng mga tunay at dobleng uri. Ang mga ito ay ipinadala alinman sa mga bahagi o may pagkawala ng katumpakan. Bagama't malawak pa ring ginagamit ang Modbus sa mga kaso kung saan hindi kailangan ang mataas na bilis ng komunikasyon at ang pagkawala ng ipinadalang data ay hindi kritikal. Maraming mga tagagawa ng iba't ibang mga aparato ang gustong palawakin ang Modbus protocol sa kanilang sariling eksklusibo at napaka orihinal na paraan, pagdaragdag ng mga hindi karaniwang function. Samakatuwid, ang protocol na ito ay may maraming mga mutasyon at paglihis mula sa pamantayan, ngunit matagumpay pa ring nabubuhay sa modernong mundo.
Ang HART protocol ay umiikot na rin mula noong dekada otsenta, ito ay isang pang-industriya na komunikasyon protocol sa isang dalawang-wire na kasalukuyang loop na linya na direktang nagkokonekta ng 4-20 mA sensor at iba pang HART-enabled na device.
Para lumipat ng mga linya ng HART, ginagamit ang mga espesyal na device, tinatawag na HART modem. Mayroon ding mga converter na nagbibigay sa user ng, sabihin, ang Modbus protocol sa output.
Marahil ay kapansin-pansin ang HART sa katotohanan na bilang karagdagan sa mga analog na signal ng 4-20 mA sensor, ang digital signal ng protocol mismo ay ipinadala din sa circuit, pinapayagan ka nitong ikonekta ang mga digital at analog na bahagi sa isang linya ng cable. Ang mga modernong HART modem ay maaaring ikonekta sa USB port ng controller, konektado sa pamamagitan ng Bluetooth, o ang makalumang paraan sa pamamagitan ng serial port. Isang dosenang taon na ang nakalilipas, sa pamamagitan ng pagkakatulad sa Wi-Fi, lumitaw ang WirelessHART wireless standard, na tumatakbo sa hanay ng ISM.
Pangalawang henerasyon ng mga protocol o hindi masyadong pang-industriya na mga bus na ISA, PCI(e) at VME
Ang mga protocol ng Modbus at HART ay pinalitan ng hindi masyadong pang-industriya na mga bus, tulad ng ISA (MicroPC, PC/104) o PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), pati na rin ang VME.
Dumating na ang panahon ng mga computer na mayroon nang unibersal na data bus, kung saan maaaring ikonekta ang iba't ibang mga board (modules) upang iproseso ang isang tiyak na pinag-isang signal. Bilang isang patakaran, sa kasong ito, ang processor module (computer) ay ipinasok sa tinatawag na frame, na nagsisiguro ng pakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng bus sa iba pang mga device. Ang frame, o, gaya ng gustong tawagin ng mga tunay na eksperto sa automation, "crate," ay pupunan ng mga kinakailangang input-output boards: analog, discrete, interface, atbp., o lahat ng ito ay pinagsama-sama sa anyo ng isang sandwich na walang isang frame - isang board sa ibabaw ng isa. Pagkatapos nito, ang iba't ibang ito sa bus (ISA, PCI, atbp.) ay nagpapalitan ng data sa module ng processor, na sa gayon ay tumatanggap ng impormasyon mula sa mga sensor at nagpapatupad ng ilang lohika.
Controller at I/O modules sa isang PXI frame sa isang PCI bus. Pinagmulan:
Magiging maayos ang lahat sa mga ISA, PCI(e) at VME bus na ito, lalo na sa mga oras na iyon: ang bilis ng palitan ay hindi nakakadismaya, at ang mga bahagi ng system ay nasa isang frame, compact at maginhawa, maaaring walang hot-swappable. I/O card, pero ayaw ko pa.
Ngunit mayroong isang langaw sa pamahid, at higit sa isa. Medyo mahirap na bumuo ng isang distributed system sa naturang pagsasaayos, lokal ang exchange bus, kailangan mong makabuo ng isang bagay upang makipagpalitan ng data sa ibang mga alipin o peer node, ang parehong Modbus sa TCP/IP o ilang iba pang protocol, sa pangkalahatan, walang sapat na kaginhawahan. Buweno, ang pangalawa ay hindi masyadong kaaya-aya: Ang mga board ng I/O ay karaniwang umaasa ng ilang uri ng pinag-isang signal bilang input, at wala silang galvanic isolation mula sa field equipment, kaya kailangan mong gumawa ng bakod mula sa iba't ibang mga module ng conversion at intermediate circuitry, na lubos na nagpapalubha sa base ng elemento.
Intermediate signal conversion modules na may galvanic isolation. Pinagmulan:
"Ano ang tungkol sa protocol ng pang-industriyang bus?" - tanong mo. Wala. Wala ito sa pagpapatupad na ito. Sa pamamagitan ng mga linya ng cable, ang signal ay naglalakbay mula sa mga sensor patungo sa mga signal converter, ang mga nagko-convert ay nagbibigay ng boltahe sa isang discrete o analog na I/O board, at ang data mula sa board ay nababasa na sa mga I/O port gamit ang OS. At walang espesyal na protocol.
Paano gumagana ang mga modernong pang-industriyang bus at protocol
Ano ngayon? Sa ngayon, ang klasikal na ideolohiya ng pagbuo ng mga awtomatikong sistema ay nagbago ng kaunti. Maraming salik ang may papel, simula sa katotohanan na ang automation ay dapat ding maging maginhawa, at nagtatapos sa trend patungo sa mga distributed na automated system na may mga node na malayo sa isa't isa.
Marahil ay maaari nating sabihin na mayroong dalawang pangunahing konsepto para sa pagbuo ng mga sistema ng automation ngayon: naisalokal at ibinahagi ang mga awtomatikong sistema.
Sa kaso ng mga localized system, kung saan ang pagkolekta at kontrol ng data ay sentralisado sa isang partikular na lokasyon, ang konsepto ng isang tiyak na hanay ng mga input/output module na magkakaugnay ng isang karaniwang mabilis na bus, kabilang ang isang controller na may sarili nitong exchange protocol, ay hinihiling. Sa kasong ito, bilang panuntunan, ang mga module ng I/O ay kinabibilangan ng parehong signal converter at galvanic isolation (bagaman, siyempre, hindi palaging). Iyon ay, sapat na para sa end user na maunawaan kung anong mga uri ng sensor at mekanismo ang makikita sa automated system, bilangin ang bilang ng kinakailangang input/output module para sa iba't ibang uri ng signal at ikonekta ang mga ito sa isang karaniwang linya kasama ang controller. . Sa kasong ito, bilang panuntunan, ginagamit ng bawat tagagawa ang paborito nitong exchange protocol sa pagitan ng mga module ng I/O at ng controller, at maaaring magkaroon ng maraming opsyon dito.
Sa kaso ng mga distributed system, lahat ng sinasabi na may kaugnayan sa mga localized na system ay totoo, bilang karagdagan, mahalaga na ang mga indibidwal na bahagi, halimbawa, isang hanay ng mga input-output module kasama ang isang aparato para sa pagkolekta at pagpapadala ng impormasyon - isang hindi napaka matalinong microcontroller na nakatayo sa isang lugar sa isang booth sa field, sa tabi ng balbula na nagpapasara ng langis - ay maaaring makipag-ugnayan sa parehong mga node at sa pangunahing controller sa malayong distansya na may epektibong exchange rate.
Paano pumipili ng protocol ang mga developer para sa kanilang proyekto? Ang lahat ng modernong exchange protocol ay nagbibigay ng medyo mataas na pagganap, kaya ang pagpili ng isa o ibang tagagawa ay madalas na hindi tinutukoy ng halaga ng palitan sa napaka-industriyal na bus na ito. Ang pagpapatupad ng protocol mismo ay hindi napakahalaga, dahil, mula sa punto ng view ng developer ng system, ito ay magiging isang itim na kahon na nagbibigay ng isang tiyak na panloob na istraktura ng palitan at hindi idinisenyo para sa panghihimasok sa labas. Kadalasan, binibigyang pansin ang mga praktikal na katangian: ang pagganap ng computer, ang kadalian ng paglalapat ng konsepto ng tagagawa sa gawaing nasa kamay, ang pagkakaroon ng mga kinakailangang uri ng mga module ng I/O, ang kakayahang mag-hot-swappable na mga module nang hindi nasira. ang bus, atbp.
Ang mga sikat na supplier ng kagamitan ay nag-aalok ng kanilang sariling mga pagpapatupad ng mga pang-industriyang protocol: halimbawa, ang kilalang kumpanyang Siemens ay bumubuo ng mga serye ng Profinet at Profibus na mga protocol, ang B&R ay bumubuo ng Powerlink protocol, ang Rockwell Automation ay bumubuo ng EtherNet/IP protocol. Isang domestic na solusyon sa listahang ito ng mga halimbawa: isang bersyon ng FBUS protocol mula sa kumpanyang Ruso na Fastwel.
Mayroon ding higit pang mga unibersal na solusyon na hindi nakatali sa isang partikular na tagagawa, tulad ng EtherCAT at CAN. Susuriin namin ang mga protocol na ito nang detalyado sa pagpapatuloy ng artikulo at alamin kung alin sa mga ito ang mas angkop para sa mga partikular na aplikasyon: mga industriya ng automotive at aerospace, pagmamanupaktura ng electronics, mga sistema ng pagpoposisyon at robotics. Manatiling nakikipag-ugnay!
Pinagmulan: www.habr.com