當然，你們中的許多人都知道或甚至見過如何控制大型自動化物體，例如，核電站或擁有許多生產線的工廠：主要動作通常發生在一個大房間裡，有一堆螢幕、燈泡和遙控器。 此控制綜合體通常稱為主控制室 - 用於監控生產設施的主控制面板。
您肯定想知道它的硬體和軟體如何運作，這些系統與傳統個人電腦有何不同。 在本文中，我們將了解各種數據如何到達主控制室，命令如何發送到設備，以及控制壓縮機站、丙烷生產廠、汽車裝配線，甚至是汽車裝配線通常需要什麼。下水道抽水廠。
最低層或現場匯流排是一切的開始
當需要描述微控制器和從屬設備（例如 I/O 模組或測量設備）之間的通訊方式時，使用這組詞，外行人不清楚。 通常，該通訊通道稱為“現場匯流排”，因為它負責將來自“現場”的資料傳輸到控制器。
「現場」是一個深奧的專業術語，指的是與控制器互動的某些設備（例如感測器或執行器）位於很遠很遠的地方，例如街道上、田野裡、夜色的掩護下。 。 即使感測器可以位於距離控制器半米處並測量自動化櫃中的溫度，也沒關係，仍然被認為是「在現場」。 大多數情況下，到達 I/O 模組的感測器訊號仍然會傳輸數十到數百公尺（有時甚至更遠）的距離，從遠端站點或裝置收集資訊。 實際上，這就是為什麼控制器從這些相同的感測器接收值的交換總線通常被稱為現場匯流排，或不太常見的低階匯流排或工業匯流排。
工業設施自動化總體方案
因此，來自感測器的電訊號沿著電纜線路（通常沿著具有一定數量芯的常規銅電纜）傳播一定的距離，多個感測器連接到電纜線路。 然後訊號進入處理模組（輸入/輸出模組），在此將其轉換為控制器可以理解的數位語言。 接下來，該訊號透過現場匯流排直接到達控制器，並最終在控制器中處理。 基於這些訊號，建構微控制器本身的操作邏輯。
頂層：從花環到整個工作站
上層被稱為控製工藝流程的普通凡人操作者所能觸及的一切。 在最簡單的情況下，頂層是一組燈和按鈕。 燈泡向操作員發出有關係統中發生的某些事件的信號，按鈕用於向控制器發出命令。 這個系統通常被稱為“花環”或“聖誕樹”，因為它看起來非常相似（正如您從文章開頭的照片中看到的那樣）。
如果操作員比較幸運，那麼作為頂層，他將獲得操作面板 - 一種平板計算機，它以某種方式從控制器接收用於顯示的資料並將其顯示在螢幕上。 這種面板通常安裝在自動化機櫃本身上，因此您通常必須站著與其交互，這會帶來不便，而且小尺寸面板上的圖像品質和尺寸也不盡如人意。
最後，一個前所未有的慷慨的吸引力 - 一個工作站（甚至幾個複製品），這是一台普通的個人電腦。
上層設備必須以某種方式與微控制器互動（否則為什麼需要它？）。 這種互動需要使用上層協定和某種傳輸介質，例如乙太網路或UART。 就“聖誕樹”而言，當然沒有必要如此複雜；燈泡使用普通的物理線路點亮，那裡沒有複雜的介面或協議。
一般來說，這個上層不如現場總線那麼有趣，因為這個上層可能根本不存在（操作員從系列中看不到任何東西；控制器本身會弄清楚需要做什麼以及如何做） ）。
「古老」的資料傳輸協定：Modbus 和 HART
很少人知道，在創世的第七天，上帝並沒有休息，而是創造了Modbus。 與 HART 協定一樣，Modbus 可能是最古老的工業資料傳輸協定；它於 1979 年出現。
最初使用串行介面作為傳輸介質，然後透過 TCP/IP 實現 Modbus。 這是一種使用請求-回應原理的同步主從（master-slave）協定。 該協定相當繁瑣且緩慢，交換速度取決於接收器和發送器的特性，但通常計數幾乎為數百毫秒，特別是透過串行介面實現時。
而且，Modbus資料傳輸暫存器是16位元的，這立即對實數和雙精度類型的傳輸施加了限制。 它們要么部分傳輸，要么損失準確性。 儘管在不需要高通訊速度且傳輸資料遺失並不嚴重的情況下，Modbus 仍然被廣泛使用。 許多各種設備的製造商喜歡以自己獨有且非常原始的方式擴展Modbus協議，添加非標準功能。 因此，該協議有許多突變和偏離規範的地方，但在現代世界中仍然成功地存在。
HART 協定自 4 年代以來就已經存在，它是一種透過兩線電流環路路徑路的工業通訊協議，可直接連接 20-XNUMX mA 感測器和其他支援 HART 的設備。
為了切換 HART 線路，需要使用特殊設備，也就是所謂的 HART 數據機。 還有一些轉換器可以在輸出端為使用者提供 Modbus 協定等。
HART 的值得注意之處可能在於，除了 4-20 mA 感測器的類比訊號之外，協定本身的數位訊號也在電路中傳輸，這使您可以在一條電纜線上連接數位和類比部分。 現代 HART 調變解調器可以透過藍牙連接到控制器的 USB 端口，或透過序列埠以老式方式連接。 十多年前，與 Wi-Fi 類似，出現了在 ISM 範圍內運作的 WirelessHART 無線標準。
第二代協定或不完全是工業總線 ISA、PCI(e) 和 VME
Modbus 和 HART 協定已被不完全工業匯流排所取代，例如 ISA（MicroPC、PC/104）或 PCI/PCIe（CompactPCI、CompactPCI Serial、StacPC）以及 VME。
電腦時代已經到來，擁有通用資料匯流排，可以連接各種板（模組）來處理某種統一訊號。 通常，在這種情況下，處理器模組（電腦）會插入所謂的框架中，這確保透過總線與其他裝置進行互動。 框架，或者真正的自動化專家喜歡稱之為“板條箱”，補充有必要的輸入輸出板：模擬、離散、接口等，或者所有這些都以三明治的形式放在一起，而無需框架- 一塊板放在另一塊板的上面。 之後，總線上的各種類型（ISA、PCI等）與處理器模組交換數據，從而接收來自感測器的資訊並實現一些邏輯。
PCI 總線上 PXI 框架中的控制器和 I/O 模組。 來源：
有了這些 ISA、PCI(e) 和 VME 總線就萬事大吉了，特別是對於那些時候：交換速度並不令人失望，系統組件位於單一框架中，緊湊方便，可能不支援熱插拔I/O 卡，但我還不太想要。
但美中不足的地方不只一個。 在這樣的配置中建立分散式系統是相當困難的，交換總線是本地的，您需要想出一些東西來與其他從站或對等節點交換數據，相同的Modbus over TCP/IP或其他協議，在整體來說，便利設施不夠。 好吧，第二件不太令人愉快的事情是：I/O 板通常期望某種統一信號作為輸入，並且它們沒有與現場設備的電流隔離，因此您需要用各種轉換模組和中間電路製作一個圍欄，這使得元素基礎變得非常複雜。
具有電流隔離的中間訊號轉換模組。 來源：
“工業總線協議怎麼樣？” - 你問。 沒有什麼。 它在此實作中不存在。 透過電纜線路，訊號從感測器傳輸到訊號轉換器，轉換器為離散或類比 I/O 板提供電壓，並且板中的資料已使用作業系統透過 I/O 連接埠讀取。 並且沒有專門的協定。
現代工業總線和協議如何運作
現在怎麼辦？ 迄今為止，建立自動化系統的經典想法已經發生了一些變化。 許多因素都發揮了作用，首先是自動化也應該很方便，最後是節點彼此遠端的分散式自動化系統的趨勢。
也許我們可以說，當今的建築自動化系統有兩個主要概念：在地化和分散式自動化系統。
在資料收集和控制集中在一個特定位置的本地化系統中，需要透過公共快速匯流排互連的一組特定輸入/輸出模組的概念，包括具有自己的交換協議的控制器。 在這種情況下，通常，I/O 模組包括訊號轉換器和電流隔離（當然，並非總是如此）。 也就是說，最終用戶只需了解自動化系統中將存在哪些類型的感測器和機制，計算不同類型訊號所需的輸入/輸出模組的數量，並將它們連接到與控制器的一條公共線路上就足夠了。 在這種情況下，通常每個製造商都會在 I/O 模組和控制器之間使用其最喜歡的交換協議，並且這裡可能有很多選項。
在分散式系統的情況下，與本地系統相關的所有內容都是正確的，此外，重要的是各個組件，例如一組輸入輸出模組加上用於收集和傳輸資訊的設備 - 不是非常智能的微控制器，位於現場展位的某個位置，靠近關閉油的閥門，可以與相同的節點以及遠距離的主控制器進行交互，並以有效的匯率進行交互。
開發人員如何為他們的專案選擇協議？ 所有現代交換協議都提供相當高的性能，因此一個或另一個製造商的選擇通常不是由這一工業總線上的交換率決定的。 協議本身的實現並不是那麼重要，因為，從系統開發者的角度來看，它仍然會是一個提供一定內部交換結構、不為外界幹擾而設計的黑盒子。 最常見的是，人們關注的是實際特性：電腦的性能、將製造商的概念應用於手頭任務的難易程度、所需類型I/O 模組的可用性、在不損壞設備的情況下熱插拔模組的能力巴士等
受歡迎的設備供應商提供自己的工業協議實現：例如，知名公司西門子正在開發其係列Profinet和Profibus協議，貝加萊正在開發Powerlink協議，羅克韋爾自動化正在開發EtherNet/IP協議。 此範例清單中的國內解決方案：來自俄羅斯 Fastwel 公司的 FBUS 協定版本。
還有一些不依賴特定製造商的更通用的解決方案，例如 EtherCAT 和 CAN。 我們將在本文的後續部分詳細分析這些協議，並找出哪些協議更適合特定應用：汽車和航空航太工業、電子製造、定位系統和機器人。 保持聯繫！
來源： www.habr.com