Elbette çoğunuz, örneğin bir nükleer enerji santrali veya çok sayıda üretim hattına sahip bir fabrika gibi büyük otomatik nesnelerin ne kadar kontrol edildiğini biliyor veya hatta görmüşsünüzdür: ana eylem genellikle bir sürü ekranın, ampulün bulunduğu büyük bir odada gerçekleşir. ve uzaktan kumandalar. Bu kontrol kompleksine genellikle ana kontrol odası denir - üretim tesisini izlemeye yönelik ana kontrol paneli.
Elbette donanım ve yazılım açısından her şeyin nasıl çalıştığını, bu sistemlerin geleneksel kişisel bilgisayarlardan nasıl farklı olduğunu merak ediyordunuz. Bu makalede, çeşitli verilerin ana kontrol odasına nasıl ulaştığına, ekipmana komutların nasıl gönderildiğine ve bir kompresör istasyonunu, bir propan üretim tesisini, bir araba montaj hattını ve hatta bir otomobil montaj hattını kontrol etmek için genel olarak neye ihtiyaç duyulduğuna bakacağız. kanalizasyon pompalama tesisi.
En düşük seviye veya fieldbus her şeyin başladığı yerdir
Konuyu bilmeyenler için açık olmayan bu kelime dizisi, mikrokontrolörler ile I/O modülleri veya ölçüm cihazları gibi alt ekipmanlar arasındaki iletişim araçlarını tanımlamak gerektiğinde kullanılır. Tipik olarak bu iletişim kanalına "field bus" adı verilir çünkü "sahadan" gelen verilerin kontrolöre iletilmesinden sorumludur.
“Saha”, kontrolörün etkileşimde bulunduğu bazı ekipmanların (örneğin sensörler veya aktüatörler) çok uzak bir yerde, sokakta, tarlalarda, gece karanlığında konumlandırıldığı gerçeğini ifade eden derin bir profesyonel terimdir. . Ve sensörün kontrol ünitesinden yarım metre uzağa yerleştirilebilmesi ve örneğin bir otomasyon kabinindeki sıcaklığı ölçebilmesi önemli değil, yine de "sahada" olduğu kabul ediliyor. Çoğu zaman, G/Ç modüllerine gelen sensörlerden gelen sinyaller hala onlarca ila yüzlerce metre (ve bazen daha fazla) mesafe kat ederek uzak yerlerden veya ekipmanlardan bilgi toplar. Aslında bu nedenle kontrolörün aynı sensörlerden değerleri aldığı değişim veriyoluna genellikle alan veriyolu veya daha az yaygın olarak alt düzey veriyolu veya endüstriyel veriyolu adı verilir.
Endüstriyel bir tesisin otomasyonunun genel şeması
Böylece, sensörden gelen elektrik sinyali, birkaç sensörün bağlı olduğu kablo hatları boyunca (genellikle belirli sayıda çekirdeğe sahip normal bir bakır kablo boyunca) belirli bir mesafeye gider. Sinyal daha sonra işleme modülüne (giriş/çıkış modülü) girer ve burada kontrolörün anlayabileceği bir dijital dile dönüştürülür. Daha sonra bu sinyal, saha veriyolu aracılığıyla doğrudan kontrol ünitesine gider ve burada son olarak işlenir. Bu tür sinyallere dayanarak mikro denetleyicinin çalışma mantığı oluşturulur.
Üst düzey: çelenkten tüm iş istasyonuna kadar
Üst seviye, teknolojik süreci kontrol eden sıradan bir ölümlü operatörün dokunabileceği her şeye denir. En basit durumda, üst seviye bir dizi ışık ve düğmeden oluşur. Ampuller operatöre sistemde meydana gelen belirli olaylar hakkında sinyal verir, düğmeler denetleyiciye komut vermek için kullanılır. Bu sisteme çok benzer göründüğü için genellikle "çelenk" veya "Noel ağacı" denir (makalenin başındaki fotoğraftan da görebileceğiniz gibi).
Operatör daha şanslıysa, en üst seviye olarak bir operatör paneli alacaktır - bir şekilde kontrolörden görüntülenmek üzere verileri alan ve ekranda görüntüleyen bir tür düz panel bilgisayar. Böyle bir panel genellikle otomasyon kabininin üzerine monte edilir, bu nedenle genellikle ayakta dururken onunla etkileşime girmeniz gerekir, bu da rahatsızlığa neden olur, ayrıca küçük formatlı panellerdeki görüntünün kalitesi ve boyutu arzulanan çok şey bırakır.
Ve son olarak, benzeri görülmemiş bir cömertliğin cazibesi - sıradan bir kişisel bilgisayar olan bir iş istasyonu (veya hatta birkaç kopyası).
Üst seviye ekipmanın mikrodenetleyici ile bir şekilde etkileşime girmesi gerekir (aksi halde neden buna ihtiyaç duyulur?). Bu tür etkileşim için üst düzey protokoller ve Ethernet veya UART gibi belirli bir iletim ortamı kullanılır. "Noel ağacı" söz konusu olduğunda bu tür karmaşıklıklara elbette gerek yok; ampuller sıradan fiziksel hatlar kullanılarak yakılıyor, orada karmaşık arayüzler veya protokoller yok.
Genel olarak bu üst seviye, field bus'tan daha az ilgi çekicidir, çünkü bu üst seviye hiç mevcut olmayabilir (operatörün seriden bakacağı hiçbir şey yoktur; kontrolörün kendisi neyin yapılması gerektiğini ve nasıl yapılması gerektiğini çözecektir) ).
“Eski” veri aktarım protokolleri: Modbus ve HART
Çok az insan biliyor ama dünyanın yaratılışının yedinci gününde Tanrı dinlenmedi, Modbus'u yarattı. HART protokolüyle birlikte Modbus belki de en eski endüstriyel veri aktarım protokolüdür; 1979'da ortaya çıktı.
Seri arayüz başlangıçta bir iletim ortamı olarak kullanıldı, daha sonra Modbus TCP/IP üzerinden uygulandı. Bu, istek-yanıt prensibini kullanan senkronize bir master-slave (master-slave) protokolüdür. Protokol oldukça hantal ve yavaştır, değişim hızı alıcının ve vericinin özelliklerine bağlıdır, ancak özellikle seri arayüz aracılığıyla uygulandığında genellikle sayım neredeyse yüzlerce milisaniyedir.
Ayrıca, Modbus veri aktarım kaydı 16 bittir ve bu, gerçek ve çift türlerin aktarımına anında kısıtlamalar getirir. Parçalar halinde veya doğruluk kaybıyla iletilirler. Modbus hala yüksek iletişim hızlarına ihtiyaç duyulmayan ve iletilen veri kaybının kritik olmadığı durumlarda yaygın olarak kullanılmasına rağmen. Çeşitli cihazların birçok üreticisi, standart olmayan işlevler ekleyerek Modbus protokolünü kendine özgü ve çok orijinal bir şekilde genişletmeyi sever. Bu nedenle, bu protokolün birçok mutasyonu ve normdan sapması vardır, ancak modern dünyada hala başarılı bir şekilde yaşamaktadır.
HART protokolü de seksenli yıllardan beri ortalıkta dolaşıyor; 4-20 mA sensörleri ve diğer HART özellikli cihazları doğrudan bağlayan, iki telli bir akım döngü hattı üzerinden endüstriyel bir iletişim protokolüdür.
HART hatlarını değiştirmek için HART modem adı verilen özel cihazlar kullanılır. Çıkışta kullanıcıya örneğin Modbus protokolünü sağlayan dönüştürücüler de vardır.
HART, 4-20 mA sensörlerin analog sinyallerine ek olarak, protokolün dijital sinyalinin de devrede iletilmesi, dijital ve analog parçaları tek bir kablo hattına bağlamanıza olanak sağlamasıyla belki de dikkat çekicidir. Modern HART modemleri, kontrol ünitesinin USB bağlantı noktasına, Bluetooth yoluyla veya eski usul bir seri bağlantı noktası aracılığıyla bağlanabilir. Bir düzine yıl önce, Wi-Fi'ye benzetilerek, ISM aralığında çalışan WirelessHART kablosuz standardı ortaya çıktı.
İkinci nesil protokoller veya pek endüstriyel olmayan veri yolları ISA, PCI(e) ve VME
Modbus ve HART protokollerinin yerini, ISA (MicroPC, PC/104) veya PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) ve VME gibi pek de endüstriyel olmayan veri yolları aldı.
Belirli bir birleşik sinyali işlemek için çeşitli kartların (modüllerin) bağlanabildiği evrensel bir veri yolunun emrinde olan bilgisayarların çağı geldi. Kural olarak, bu durumda işlemci modülü (bilgisayar), veri yolu üzerinden diğer cihazlarla etkileşimi sağlayan çerçeveye yerleştirilir. Çerçeve veya gerçek otomasyon uzmanlarının adlandırmayı sevdiği gibi "sandık", gerekli giriş-çıkış kartlarıyla desteklenir: analog, ayrık, arayüz vb. bir çerçeve - bir tahta diğerinin üstünde. Bundan sonra veri yolu üzerindeki bu çeşitlilik (ISA, PCI vb.), işlemci modülü ile veri alışverişinde bulunur ve bu sayede sensörlerden bilgi alır ve bazı mantıkları uygular.
PCI veri yolu üzerindeki PXI çerçevesindeki denetleyici ve G/Ç modülleri. Kaynak:
Bu ISA, PCI(e) ve VME veri yolları ile her şey yolunda olurdu, özellikle de o zamanlar için: değişim hızı hayal kırıklığı yaratmıyor ve sistem bileşenleri kompakt ve kullanışlı tek bir çerçevede yer alıyor, çalışırken değiştirilebilir olmayabilir G/Ç kartları, ancak henüz bunu yapmak istemiyorum.
Ama merhemde bir sinek var, hem de birden fazla. Böyle bir konfigürasyonda dağıtılmış bir sistem oluşturmak oldukça zordur, değişim veri yolu yereldir, diğer köle veya eş düğümlerle veri alışverişi yapmak için bir şey bulmanız gerekir, TCP/IP veya başka bir protokol üzerinden aynı Modbus genel olarak yeterli kolaylıklar yok. İkinci pek de hoş olmayan şey: G/Ç kartları genellikle giriş olarak bir tür birleşik sinyal bekler ve saha ekipmanından galvanik izolasyona sahip değildirler, bu nedenle çeşitli dönüşüm modüllerinden ve ara devrelerden bir çit yapmanız gerekir. bu da element tabanını büyük ölçüde karmaşıklaştırır.
Galvanik izolasyonlu ara sinyal dönüştürme modülleri. Kaynak:
"Peki ya endüstriyel veri yolu protokolü?" - sen sor. Hiç bir şey. Bu uygulamada mevcut değil. Sinyal, kablo hatları aracılığıyla sensörlerden sinyal dönüştürücülere gider, dönüştürücüler ayrı veya analog G/Ç kartına voltaj sağlar ve karttan gelen veriler, işletim sistemi kullanılarak G/Ç bağlantı noktaları aracılığıyla zaten okunur. Ve özel protokoller yok.
Modern endüstriyel veri yolları ve protokoller nasıl çalışır?
Şimdi ne var? Bugüne kadar, otomatik sistemler oluşturmanın klasik ideolojisi biraz değişti. Otomasyonun da uygun olması gerektiği gerçeğinden başlayarak, birbirinden uzak düğümlere sahip dağıtılmış otomatik sistemlere yönelik eğilime kadar pek çok faktör rol oynadı.
Günümüzde bina otomasyon sistemlerine yönelik belki de iki ana kavramın olduğunu söyleyebiliriz: yerelleştirilmiş ve dağıtılmış otomasyon sistemleri.
Veri toplama ve kontrolün belirli bir yerde merkezileştirildiği yerelleştirilmiş sistemler durumunda, kendi değişim protokolüne sahip bir kontrolör de dahil olmak üzere ortak bir hızlı veri yolu ile birbirine bağlanan belirli bir dizi giriş/çıkış modülü kavramı talep görmektedir. Bu durumda, kural olarak, G/Ç modülleri hem bir sinyal dönüştürücüyü hem de galvanik izolasyonu içerir (tabii ki her zaman olmasa da). Yani, son kullanıcının otomasyon sisteminde ne tür sensör ve mekanizmaların bulunacağını anlaması, farklı sinyal türleri için gerekli giriş/çıkış modüllerinin sayısını sayması ve bunları kontrolör ile ortak bir hatta bağlaması yeterlidir. . Bu durumda kural olarak her üretici, I/O modülleri ile kontrolör arasında favori değişim protokolünü kullanır ve burada birçok seçenek olabilir.
Dağıtılmış sistemler söz konusu olduğunda, yerelleştirilmiş sistemlerle ilgili söylenen her şey doğrudur; ayrıca, örneğin bir dizi giriş-çıkış modülü artı bilgi toplamak ve iletmek için bir cihaz gibi bireysel bileşenlerin - bir değil - olması önemlidir. Sahadaki bir kabinde, yağı kapatan vananın yanında duran çok akıllı bir mikrokontrolör, aynı düğümlerle ve çok uzaktaki ana kontrolörle etkili bir döviz kuruyla etkileşime girebilir.
Geliştiriciler projeleri için nasıl bir protokol seçerler? Tüm modern değişim protokolleri oldukça yüksek performans sağlar, bu nedenle bir veya başka bir üreticinin seçimi genellikle bu endüstriyel veriyolundaki döviz kuru tarafından belirlenmez. Protokolün uygulanması o kadar önemli değil, çünkü sistem geliştiricisi açısından bakıldığında, yine de belirli bir iç değişim yapısı sağlayan ve dışarıdan müdahale için tasarlanmamış bir kara kutu olacaktır. Çoğu zaman pratik özelliklere dikkat edilir: bilgisayarın performansı, üreticinin konseptini eldeki göreve uygulama kolaylığı, gerekli I/O modülü türlerinin mevcudiyeti, modüllerin çalışırken değiştirilebilme yeteneği otobüs vb.
Popüler ekipman tedarikçileri kendi endüstriyel protokol uygulamalarını sunmaktadır: örneğin, tanınmış Siemens şirketi Profinet ve Profibus protokol serisini geliştiriyor, B&R Powerlink protokolünü geliştiriyor, Rockwell Automation EtherNet/IP protokolünü geliştiriyor. Bu örnekler listesinde yerli bir çözüm: Rus Fastwel firmasının FBUS protokolünün bir versiyonu.
Ayrıca EtherCAT ve CAN gibi belirli bir üreticiye bağlı olmayan daha evrensel çözümler de vardır. Makalenin devamında bu protokolleri ayrıntılı olarak analiz edeceğiz ve hangisinin belirli uygulamalar için daha uygun olduğunu bulacağız: otomotiv ve havacılık endüstrileri, elektronik üretimi, konumlandırma sistemleri ve robotik. İletişimde kalın!
Kaynak: habr.com