当然，你们中的许多人都知道或什至见过如何控制大型自动化物体，例如，核电站或拥有许多生产线的工厂：主要动作通常发生在一个大房间里，有一堆屏幕、灯泡和遥控器。 该控制综合体通常称为主控制室 - 用于监控生产设施的主控制面板。
您肯定想知道它的硬件和软件如何工作，这些系统与传统个人计算机有何不同。 在本文中，我们将了解各种数据如何到达主控制室，命令如何发送到设备，以及控制压缩机站、丙烷生产厂、汽车装配线，甚至是汽车装配线通常需要什么。下水道抽水厂。
最低层或现场总线是一切的开始
当需要描述微控制器和从属设备（例如 I/O 模块或测量设备）之间的通信方式时，使用这组词，外行人不清楚。 通常，该通信通道称为“现场总线”，因为它负责将来自“现场”的数据传输到控制器。
“现场”是一个深奥的专业术语，指的是与控制器交互的某些设备（例如传感器或执行器）位于很远很远的地方，比如街道上、田野里、夜色的掩护下。 。 即使传感器可以位于距离控制器半米处并测量自动化柜中的温度，也没关系，仍然被认为是“在现场”。 大多数情况下，到达 I/O 模块的传感器信号仍然会传输数十到数百米（有时甚至更远）的距离，从远程站点或设备收集信息。 实际上，这就是为什么控制器从这些相同的传感器接收值的交换总线通常被称为现场总线，或者不太常见的低级总线或工业总线。
工业设施自动化总体方案
因此，来自传感器的电信号沿着电缆线路（通常沿着具有一定数量芯的常规铜电缆）传播一定的距离，多个传感器连接到电缆线路。 然后信号进入处理模块（输入/输出模块），在此将其转换为控制器可以理解的数字语言。 接下来，该信号通过现场总线直接到达控制器，并最终在控制器中进行处理。 基于这些信号，构建微控制器本身的操作逻辑。
顶层：从花环到整个工作站
上层被称为控制工艺流程的普通凡人操作者所能触及的一切。 在最简单的情况下，顶层是一组灯和按钮。 灯泡向操作员发出有关系统中发生的某些事件的信号，按钮用于向控制器发出命令。 该系统通常被称为“花环”或“圣诞树”，因为它看起来非常相似（正如您从文章开头的照片中看到的那样）。
如果操作员比较幸运，那么作为顶层，他将获得操作面板 - 一种平板计算机，它以某种方式从控制器接收用于显示的数据并将其显示在屏幕上。 这种面板通常安装在自动化机柜本身上，因此您通常必须站着与其交互，这会带来不便，而且小尺寸面板上的图像质量和尺寸也不尽如人意。
最后，一个前所未有的慷慨的吸引力 - 一个工作站（甚至几个复制品），这是一台普通的个人计算机。
上层设备必须以某种方式与微控制器交互（否则为什么需要它？）。 这种交互需要使用上层协议和某种传输介质，例如以太网或UART。 就“圣诞树”而言，当然没有必要如此复杂；灯泡使用普通的物理线路点亮，那里没有复杂的接口或协议。
一般来说，这个上层不如现场总线那么有趣，因为这个上层可能根本不存在（操作员从系列中看不到任何东西；控制器本身会弄清楚需要做什么以及如何做） ）。
“古老”的数据传输协议：Modbus 和 HART
很少有人知道，在创世的第七天，上帝并没有休息，而是创造了Modbus。 与 HART 协议一样，Modbus 可能是最古老的工业数据传输协议；它于 1979 年出现。
最初使用串行接口作为传输介质，然后通过 TCP/IP 实现 Modbus。 这是一种使用请求-响应原理的同步主从（master-slave）协议。 该协议相当繁琐且缓慢，交换速度取决于接收器和发送器的特性，但通常计数几乎为数百毫秒，特别是通过串行接口实现时。
而且，Modbus数据传输寄存器是16位的，这立即对实数和双精度类型的传输施加了限制。 它们要么部分传输，要么损失准确性。 尽管在不需要高通信速度且传输数据丢失并不严重的情况下，Modbus 仍然被广泛使用。 许多各种设备的制造商喜欢以自己独有且非常原始的方式扩展Modbus协议，添加非标准功能。 因此，该协议有许多突变和偏离规范的地方，但在现代世界中仍然成功地存在。
HART 协议自 4 年代以来就已存在，它是一种通过两线电流环路线路的工业通信协议，可直接连接 20-XNUMX mA 传感器和其他支持 HART 的设备。
为了切换 HART 线路，需要使用特殊设备，即所谓的 HART 调制解调器。 还有一些转换器可以在输出端为用户提供 Modbus 协议等。
HART 的值得注意之处可能在于，除了 4-20 mA 传感器的模拟信号之外，协议本身的数字信号也在电路中传输，这使您可以在一根电缆线上连接数字和模拟部分。 现代 HART 调制解调器可以通过蓝牙连接到控制器的 USB 端口，或者通过串行端口以老式方式连接。 十几年前，与 Wi-Fi 类似，出现了在 ISM 范围内运行的 WirelessHART 无线标准。
第二代协议或不完全是工业总线 ISA、PCI(e) 和 VME
Modbus 和 HART 协议已被不完全工业总线所取代，例如 ISA（MicroPC、PC/104）或 PCI/PCIe（CompactPCI、CompactPCI Serial、StacPC）以及 VME。
计算机时代已经到来，拥有通用数据总线，可以连接各种板（模块）来处理某种统一信号。 通常，在这种情况下，处理器模块（计算机）被插入所谓的框架中，这确保通过总线与其他设备进行交互。 框架，或者真正的自动化专家喜欢称之为“板条箱”，补充有必要的输入输出板：模拟、离散、接口等，或者所有这些都以三明治的形式放在一起，而无需框架 - 一块板放在另一块板的上面。 之后，总线上的各种类型（ISA、PCI等）与处理器模块交换数据，从而接收来自传感器的信息并实现一些逻辑。
PCI 总线上 PXI 框架中的控制器和 I/O 模块。 来源：
有了这些ISA、PCI(e)和VME总线就万事大吉了，特别是对于那些时候：交换速度并不令人失望，而且系统组件位于一个框架内，紧凑方便，可能不支持热插拔I/O 卡，但我还不太想要。
但美中不足的地方还不止一个。 在这样的配置中构建分布式系统是相当困难的，交换总线是本地的，您需要想出一些东西来与其他从站或对等节点交换数据，相同的Modbus over TCP/IP或其他协议，在总体来说，便利设施不够。 好吧，第二件不太令人愉快的事情是：I/O 板通常期望某种统一信号作为输入，并且它们没有与现场设备的电流隔离，因此您需要用各种转换模块和中间电路制作一个围栏，这使得元素基础变得非常复杂。
具有电流隔离的中间信号转换模块。 来源：
“工业总线协议怎么样？” - 你问。 没有什么。 它在此实现中不存在。 通过电缆线路，信号从传感器传输到信号转换器，转换器为离散或模拟 I/O 板提供电压，并且板中的数据已使用操作系统通过 I/O 端口读取。 并且没有专门的协议。
现代工业总线和协议如何工作
现在怎么办？ 迄今为止，构建自动化系统的经典思想已经发生了一些变化。 许多因素都发挥了作用，首先是自动化也应该很方便，最后是节点彼此远程的分布式自动化系统的趋势。
也许我们可以说，当今的建筑自动化系统有两个主要概念：本地化和分布式自动化系统。
在数据收集和控制集中在一个特定位置的本地化系统中，需要通过公共快速总线互连的一组特定输入/输出模块的概念，包括具有自己的交换协议的控制器。 在这种情况下，通常，I/O 模块包括信号转换器和电流隔离（当然，并非总是如此）。 也就是说，最终用户只需了解自动化系统中将存在哪些类型的传感器和机制，计算不同类型信号所需的输入/输出模块的数量，并将它们连接到与控制器的一条公共线路上就足够了。 在这种情况下，通常每个制造商都会在 I/O 模块和控制器之间使用其最喜欢的交换协议，并且这里可能有很多选项。
在分布式系统的情况下，与本地系统相关的所有内容都是正确的，此外，重要的是各个组件，例如一组输入输出模块加上用于收集和传输信息的设备 - 不是非常智能的微控制器，位于现场展位的某个位置，靠近关闭油的阀门，可以与相同的节点以及远距离的主控制器进行交互，并以有效的汇率进行交互。
开发人员如何为他们的项目选择协议？ 所有现代交换协议都提供相当高的性能，因此一个或另一个制造商的选择通常不是由这一工业总线上的交换率决定的。 协议本身的实现并不是那么重要，因为，从系统开发者的角度来看，它仍然会是一个提供一定内部交换结构、不为外界干扰而设计的黑盒子。 最常见的是，人们关注的是实际特性：计算机的性能、将制造商的概念应用于手头任务的难易程度、所需类型 I/O 模块的可用性、在不损坏设备的情况下热插拔模块的能力巴士等
流行的设备供应商提供自己的工业协议实现：例如，知名公司西门子正在开发其系列Profinet和Profibus协议，贝加莱正在开发Powerlink协议，罗克韦尔自动化正在开发EtherNet/IP协议。 此示例列表中的国内解决方案：来自俄罗斯 Fastwel 公司的 FBUS 协议版本。
还有一些不依赖于特定制造商的更通用的解决方案，例如 EtherCAT 和 CAN。 我们将在本文的后续部分详细分析这些协议，并找出哪些协议更适合特定应用：汽车和航空航天工业、电子制造、定位系统和机器人。 保持联系！
来源： habr.com