Chắc hẳn nhiều bạn đã biết hoặc thậm chí đã từng thấy các vật thể tự động hóa lớn được điều khiển như thế nào, ví dụ như nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy có nhiều dây chuyền sản xuất: hành động chính thường diễn ra trong một căn phòng lớn, với một loạt màn hình, bóng đèn và điều khiển từ xa. Tổ hợp điều khiển này thường được gọi là phòng điều khiển chính - bảng điều khiển chính để giám sát cơ sở sản xuất.
Chắc chắn bạn đang tự hỏi nó hoạt động như thế nào về mặt phần cứng và phần mềm, những hệ thống này khác với máy tính cá nhân thông thường như thế nào. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các dữ liệu khác nhau được đưa đến phòng điều khiển chính như thế nào, các lệnh được gửi đến thiết bị như thế nào và những gì thường cần thiết để điều khiển trạm máy nén, nhà máy sản xuất propan, dây chuyền lắp ráp ô tô hoặc thậm chí là một nhà máy sản xuất khí propan. nhà máy bơm thoát nước.
Mức thấp nhất hoặc fieldbus là nơi tất cả bắt đầu
Nhóm từ này, không rõ ràng đối với những người chưa quen, được sử dụng khi cần mô tả phương tiện giao tiếp giữa bộ vi điều khiển và thiết bị cấp dưới, ví dụ: mô-đun I/O hoặc thiết bị đo lường. Thông thường, kênh liên lạc này được gọi là “bus trường” vì nó chịu trách nhiệm truyền dữ liệu đến từ “trường” đến bộ điều khiển.
“Field” là một thuật ngữ chuyên môn sâu đề cập đến thực tế là một số thiết bị (ví dụ: cảm biến hoặc bộ truyền động) mà bộ điều khiển tương tác được đặt ở một nơi rất xa, rất xa, trên đường phố, trên cánh đồng, dưới màn đêm bao phủ . Và không quan trọng là cảm biến có thể được đặt cách bộ điều khiển nửa mét và đo nhiệt độ trong tủ tự động hóa, nó vẫn được coi là “ở hiện trường”. Thông thường, tín hiệu từ các cảm biến đến mô-đun I/O vẫn truyền đi khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm mét (và đôi khi còn hơn), thu thập thông tin từ các địa điểm hoặc thiết bị ở xa. Trên thực tế, đó là lý do tại sao bus trao đổi, qua đó bộ điều khiển nhận các giá trị từ cùng các cảm biến này, thường được gọi là bus trường hoặc ít phổ biến hơn là bus cấp thấp hơn hoặc bus công nghiệp.
Sơ đồ chung về tự động hóa của một cơ sở công nghiệp
Vì vậy, tín hiệu điện từ cảm biến sẽ truyền một khoảng cách nhất định dọc theo các đường cáp (thường dọc theo cáp đồng thông thường có số lõi nhất định), nơi một số cảm biến được kết nối. Sau đó, tín hiệu đi vào mô-đun xử lý (mô-đun đầu vào/đầu ra), tại đó nó được chuyển đổi thành ngôn ngữ kỹ thuật số mà bộ điều khiển có thể hiểu được. Tiếp theo, tín hiệu này qua bus trường sẽ đi thẳng đến bộ điều khiển, nơi cuối cùng nó được xử lý. Dựa trên các tín hiệu như vậy, logic hoạt động của bộ vi điều khiển được xây dựng.
Cấp cao nhất: từ vòng hoa đến toàn bộ trạm làm việc
Cấp độ trên được gọi là mọi thứ có thể chạm vào được bởi một người điều hành phàm trần bình thường, người điều khiển quy trình công nghệ. Trong trường hợp đơn giản nhất, cấp cao nhất là một bộ đèn và nút bấm. Bóng đèn báo hiệu cho người vận hành về các sự kiện nhất định xảy ra trong hệ thống, các nút bấm được sử dụng để ra lệnh cho bộ điều khiển. Hệ thống này thường được gọi là “vòng hoa” hoặc “cây thông Noel” vì nó trông rất giống nhau (như bạn có thể thấy trong bức ảnh ở đầu bài viết).
Nếu người vận hành may mắn hơn, thì ở cấp cao nhất, anh ta sẽ nhận được bảng điều khiển - một loại máy tính màn hình phẳng bằng cách này hay cách khác nhận dữ liệu để hiển thị từ bộ điều khiển và hiển thị trên màn hình. Bảng điều khiển như vậy thường được gắn trên chính tủ tự động hóa nên bạn thường phải tương tác với nó khi đứng, điều này gây ra sự bất tiện, cộng thêm chất lượng và kích thước hình ảnh trên các bảng định dạng nhỏ còn nhiều điều chưa tốt.
Và cuối cùng, sự hấp dẫn của sự hào phóng chưa từng có - một máy trạm (hoặc thậm chí một số bản sao), là một máy tính cá nhân thông thường.
Thiết bị cấp cao hơn phải tương tác theo cách nào đó với bộ vi điều khiển (nếu không thì tại sao lại cần thiết?). Đối với sự tương tác như vậy, các giao thức cấp cao hơn và một phương tiện truyền dẫn nhất định được sử dụng, ví dụ: Ethernet hoặc UART. Trong trường hợp của “cây Giáng sinh”, tất nhiên, sự phức tạp như vậy là không cần thiết; các bóng đèn được thắp sáng bằng các đường vật lý thông thường, không có giao diện hay giao thức phức tạp nào ở đó.
Nói chung, cấp trên này kém thú vị hơn bus trường, vì cấp trên này có thể không tồn tại (không có gì để người vận hành xem xét từ chuỗi; bản thân bộ điều khiển sẽ tìm ra những gì cần phải làm và cách thức thực hiện). ).
Giao thức truyền dữ liệu “cổ xưa”: Modbus và HART
Ít người biết, nhưng vào ngày thứ bảy sáng tạo thế giới, Chúa không hề nghỉ ngơi mà tạo ra Modbus. Cùng với giao thức HART, Modbus có lẽ là giao thức truyền dữ liệu công nghiệp lâu đời nhất; nó xuất hiện vào năm 1979.
Giao diện nối tiếp ban đầu được sử dụng làm phương tiện truyền dẫn, sau đó Modbus được triển khai qua TCP/IP. Đây là giao thức master-slave (master-slave) đồng bộ sử dụng nguyên tắc đáp ứng yêu cầu. Giao thức khá cồng kềnh và chậm, tốc độ trao đổi phụ thuộc vào đặc điểm của máy thu và máy phát, nhưng thường thì số đếm gần như hàng trăm mili giây, đặc biệt khi thực hiện qua giao diện nối tiếp.
Hơn nữa, thanh ghi truyền dữ liệu Modbus là 16-bit, ngay lập tức áp đặt các hạn chế đối với việc truyền các loại thực và kép. Chúng được truyền đi theo từng phần hoặc mất độ chính xác. Mặc dù Modbus vẫn được sử dụng rộng rãi trong những trường hợp không cần tốc độ truyền thông cao và việc mất dữ liệu truyền đi là không nghiêm trọng. Nhiều nhà sản xuất thiết bị khác nhau muốn mở rộng giao thức Modbus theo cách độc quyền và rất độc đáo của riêng họ, bổ sung thêm các chức năng phi tiêu chuẩn. Vì vậy, giao thức này có nhiều đột biến, sai lệch so với chuẩn mực nhưng vẫn tồn tại thành công trong thế giới hiện đại.
Giao thức HART cũng đã xuất hiện từ những năm 4, đây là giao thức truyền thông công nghiệp qua đường dây vòng dòng hai dây kết nối trực tiếp các cảm biến 20-XNUMX mA và các thiết bị hỗ trợ HART khác.
Để chuyển mạch đường HART, người ta sử dụng các thiết bị đặc biệt, gọi là modem HART. Ngoài ra còn có các bộ chuyển đổi cung cấp cho người dùng giao thức Modbus ở đầu ra.
HART có lẽ đáng chú ý vì ngoài tín hiệu tương tự của cảm biến 4-20 mA, tín hiệu số của chính giao thức cũng được truyền trong mạch, điều này cho phép bạn kết nối các phần kỹ thuật số và analog trong một đường cáp. Modem HART hiện đại có thể được kết nối với cổng USB của bộ điều khiển, được kết nối qua Bluetooth hoặc theo cách cũ thông qua cổng nối tiếp. Hơn chục năm trước, tương tự như Wi-Fi, tiêu chuẩn không dây WirelessHART, hoạt động trong phạm vi ISM, đã xuất hiện.
Thế hệ giao thức thứ hai hoặc không hẳn là bus công nghiệp ISA, PCI(e) và VME
Các giao thức Modbus và HART đã được thay thế bằng các bus không hoàn toàn công nghiệp, chẳng hạn như ISA (MicroPC, PC/104) hoặc PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), cũng như VME.
Thời đại của máy tính đã đến, có sẵn một bus dữ liệu phổ quát, nơi có thể kết nối nhiều bo mạch (mô-đun) khác nhau để xử lý một tín hiệu thống nhất nhất định. Theo quy định, trong trường hợp này, mô-đun bộ xử lý (máy tính) được chèn vào cái gọi là khung, đảm bảo khả năng tương tác qua bus với các thiết bị khác. Khung, hay, như các chuyên gia tự động hóa thực sự thường gọi nó là “thùng”, được bổ sung các bảng đầu vào-đầu ra cần thiết: analog, rời rạc, giao diện, v.v., hoặc tất cả những thứ này được ghép lại với nhau dưới dạng một chiếc bánh sandwich không có một khung - một bảng chồng lên nhau. Sau đó, loại này trên bus (ISA, PCI, v.v.) trao đổi dữ liệu với mô-đun bộ xử lý, do đó nhận thông tin từ các cảm biến và thực hiện một số logic.
Bộ điều khiển và mô-đun I/O trong khung PXI trên bus PCI. Nguồn:
Mọi thứ sẽ ổn với các bus ISA, PCI(e) và VME này, đặc biệt trong những thời điểm đó: tốc độ trao đổi không gây thất vọng và các thành phần hệ thống được đặt trong một khung duy nhất, nhỏ gọn và tiện lợi, có thể không có khả năng trao đổi nóng Thẻ I/O, nhưng tôi chưa thực sự muốn.
Nhưng có một con ruồi trong thuốc mỡ, và nhiều hơn một con. Khá khó để xây dựng một hệ thống phân tán trong cấu hình như vậy, bus trao đổi là cục bộ, bạn cần nghĩ ra thứ gì đó để trao đổi dữ liệu với các nút nô lệ hoặc nút ngang hàng khác, cùng một Modbus qua TCP/IP hoặc một số giao thức khác, trong nói chung là không có đủ tiện nghi. Chà, điều thứ hai không mấy dễ chịu: các bo mạch I/O thường mong đợi một số loại tín hiệu thống nhất làm đầu vào và chúng không có cách ly điện với thiết bị hiện trường, vì vậy bạn cần tạo một hàng rào từ các mô-đun chuyển đổi và mạch trung gian khác nhau, điều này làm phức tạp rất nhiều cơ sở phần tử.
Mô-đun chuyển đổi tín hiệu trung gian có cách ly điện. Nguồn:
“Còn giao thức bus công nghiệp thì sao?” - bạn hỏi. Không có gì. Nó không tồn tại trong việc thực hiện này. Thông qua các đường cáp, tín hiệu truyền từ cảm biến đến bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ chuyển đổi cung cấp điện áp cho bo mạch I/O rời rạc hoặc tương tự và dữ liệu từ bo mạch đã được đọc qua các cổng I/O bằng HĐH. Và không có giao thức chuyên biệt.
Các giao thức và bus công nghiệp hiện đại hoạt động như thế nào
Gì bây giờ? Cho đến nay, hệ tư tưởng cổ điển về xây dựng hệ thống tự động đã có một chút thay đổi. Nhiều yếu tố đóng vai trò quan trọng, bắt đầu từ thực tế là tự động hóa cũng phải thuận tiện và kết thúc bằng xu hướng hướng tới các hệ thống tự động phân tán với các nút ở xa nhau.
Có lẽ chúng ta có thể nói rằng ngày nay có hai khái niệm chính về hệ thống tự động hóa tòa nhà: hệ thống tự động hóa cục bộ và phân tán.
Trong trường hợp các hệ thống cục bộ, trong đó việc thu thập và kiểm soát dữ liệu được tập trung ở một vị trí cụ thể, khái niệm về một bộ mô-đun đầu vào/đầu ra nhất định được kết nối với nhau bằng một bus nhanh chung, bao gồm bộ điều khiển với giao thức trao đổi riêng, là cần thiết. Trong trường hợp này, theo quy luật, các mô-đun I/O bao gồm cả bộ chuyển đổi tín hiệu và cách ly điện (mặc dù, tất nhiên, không phải lúc nào cũng vậy). Nghĩa là, người dùng cuối đủ hiểu loại cảm biến và cơ chế nào sẽ có trong hệ thống tự động, đếm số lượng mô-đun đầu vào/đầu ra cần thiết cho các loại tín hiệu khác nhau và kết nối chúng thành một đường chung với bộ điều khiển. . Trong trường hợp này, theo quy định, mỗi nhà sản xuất sử dụng giao thức trao đổi yêu thích của mình giữa các mô-đun I/O và bộ điều khiển và có thể có rất nhiều tùy chọn ở đây.
Trong trường hợp hệ thống phân tán, mọi điều được nói liên quan đến hệ thống cục bộ đều đúng, ngoài ra, điều quan trọng là các thành phần riêng lẻ, chẳng hạn như một bộ mô-đun đầu vào-đầu ra cộng với một thiết bị thu thập và truyền thông tin - không phải bộ vi điều khiển rất thông minh đặt ở đâu đó trong gian hàng ngoài hiện trường, bên cạnh van tắt dầu - có thể tương tác với các nút giống nhau và với bộ điều khiển chính ở khoảng cách rất xa với tỷ giá hối đoái hiệu quả.
Các nhà phát triển chọn giao thức cho dự án của họ như thế nào? Tất cả các giao thức trao đổi hiện đại đều cung cấp hiệu suất khá cao, do đó việc lựa chọn nhà sản xuất này hay nhà sản xuất khác thường không được xác định bởi tỷ giá hối đoái trên xe buýt công nghiệp này. Bản thân việc triển khai giao thức không quá quan trọng, bởi vì, theo quan điểm của nhà phát triển hệ thống, nó vẫn sẽ là một hộp đen cung cấp một cấu trúc trao đổi nội bộ nhất định và không được thiết kế để can thiệp từ bên ngoài. Thông thường, người ta chú ý đến các đặc điểm thực tế: hiệu suất của máy tính, dễ dàng áp dụng khái niệm của nhà sản xuất vào nhiệm vụ hiện tại, tính sẵn có của các loại mô-đun I/O cần thiết, khả năng thay thế nóng các mô-đun mà không bị hỏng. xe buýt, v.v.
Các nhà cung cấp thiết bị phổ biến cung cấp các triển khai giao thức công nghiệp của riêng họ: ví dụ: công ty nổi tiếng Siemens đang phát triển loạt giao thức Profinet và Profibus, B&R đang phát triển giao thức Powerlink, Rockwell Automation đang phát triển giao thức EtherNet/IP. Một giải pháp nội địa trong danh sách ví dụ này: một phiên bản giao thức FBUS của công ty Fastwel của Nga.
Ngoài ra còn có các giải pháp phổ quát hơn không bị ràng buộc với một nhà sản xuất cụ thể, chẳng hạn như EtherCAT và CAN. Chúng tôi sẽ phân tích chi tiết các giao thức này trong phần tiếp theo của bài viết và tìm ra giao thức nào phù hợp hơn cho các ứng dụng cụ thể: ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, sản xuất điện tử, hệ thống định vị và robot. Giữ liên lạc!
Nguồn: www.habr.com