АСУ ТП для самых маленьких. Как происходит управление оборудованием
Увидел на Хабр Q&A вопрос как физически происходит управление оборудованием в АСУ ТП, начал писать ответ, в итоге накатал целую статью :)
Технически, управлять оборудованием можно по-разному:
Подавая питание (фазу либо низковольтное — зависит что за прибор). Подали питание — поехало, сняли — остановилось. Здесь подойдёт реле, магнитный пускатель, транзистор/тиристор/симистор…
Аналоговое управление — когда параметры на прибор подаются конкретным значением напряжения/тока. Например, подали 12В — поехало быстро, снизили до 5В — поехало пропорционально медленнее, до 0В — остановилось. Вариант — пропорциональное управление, когда управляющее воздействие зависит от каких-то факторов. Например, нам надо максимально быстро разогнать дрыгатель до штатных оборотов, а потом поддерживать эти обороты. Мы сначала вкачиваем в него максимальную мощность чтобы он резво стартовал, потом по определённому закону её снижаем до достижения нужных оборотов, потом регулируем эту мощность в зависимости от нагрузки на двигатель так чтобы он поддерживал нужные обороты. Разумеется, аналоговым способом можно не только управлять мощным оборудованием, но и малыми напряжениями/токами управлять контроллером, который уже будет качать мощь. Управление напряжением годится на малых дистанциях т.к. при её увеличении становятся значимыми потери в проводах и на выходе линии напряжение м.б. совсем не то что мы подавали, соответственно, контроллер будет работать неправильно. В этом случае мы можем перейти на управление током, см. «токовая петля».
Сухой контакт/Открытый коллектор/Оптопара. Смысл в том что мы маленькой дохлой кнопкой можем управлять чем-то мощным. Пример: на пульте стоит кнопка, к станку тянется провод. Замыкая кнопку, мы подаём 12В на маленькое (промежуточное) реле, которое подаёт фазу на большой пускатель, который подаёт 3 фазы на 100-киловаттный мотор. Или стоит задача сделать пульт дистанционного управления прибором. Есть прибор, возможно имеющий свои собственные кнопки, а мы хотим сделать дополнительный пост управления, который будет дублировать кнопки прибора. Для этого у него м.б. разъём GPI (General Purpose Interface, интерфейс общего назначения), замыкая контакты на котором мы прикидываемся соответствующими кнопками.
Все перечисленные способы, как можно заметить, «однонаправленные», т.е. команду мы дали, а что там на той стороне произошло… можно только догадываться, ну или высунуть ухо, послушать: зажужжало или нет :)
Но ничто нам не мешает прокинуть ещё одну или несколько пар проводов и использовать их в качестве «обратного канала»:
подали фазу, на той стороне сработало реле и вернуло нам нашу фазу, у нас зажглась лампа, дрыгатель физически стартовал — сработал датчик, у нас зажглась вторая лампа, установка вышла на режим — третья, произошёл аварийный останов — большая красная :)
подали напряжение, установка завелась, мы сняли обороты с помощью «динамо-машинки» и вернули напряжение на пульт, на котором напряжометр вольтметр показывает обороты;
на приборе с GPI м.б. не только входы, но и выходы (иногда их называют Tally), которые сигнализирую о состоянии прибора. Мы может забрать их себе на пульт и, например, поджигать лампу в кнопке независимо от того это мы её нажали или Васян вдавил на самом приборе.Конечно, все эти способы можно комбинировать, например, туда напряжение, обратно GPI.
RS-232/422/485, Ethernet. Это последовательные интерфейсы, а выше перечисленные были параллельные. В отличие от «просто кнопки» они могут передавать сложные команды, используя одну пару проводов, по которой бегут последовательные биты. Благодаря этому мы можем сложные пульты подключать тонким проводом. К примеру: у нас на пульте 8 кнопок. В случае с GPI нам бы понадобилось 8 проводов + общий (земля). По RS-… на можем упаковать все 8 кнопок в один байт (каждый бит — состояние одной кнопки) и передавать его постоянно, заодно контролируя состояние линии: есть данные — линия цела. Надо больше кнопок — передаём несколько байт. Далее, я сказал одна пара, на самом деле обычно их минимум две. Вторая — это как раз обратный канал для передачи состояния прибора.
Да, ничего не мешает использовать только «половинку» RS-232/422/485 для односторонней передачи, но так обычно не делают. А ещё бывает режим 422/485 с передачей по одной паре с временным уплотнением (линия переключается: сначала «туда», потом «обратно»). Смысл в том что эти интерфейсы «из коробки» двунаправленные.
Благодаря тому что последовательные интерфейсы «умные», через них можно передавать сложные команды. Например, нам надо управлять прибором с высокой точностью, доли секунды. Конечно, речь идёт не о кнопках, а об автоматизированных контроллерах. GPI тут не годится так как не гарантирует время срабатывания. Но мы можем заранее дать такую команду: «Включись в 10:11:12.16» или «Откатись на 5 сек от точки входа и запустись так чтобы в 17:18:19.00 выйти на режим» или »Примерно в 12:00:00.00 переключись с источника 5 на источник 55, но не раньше чем там появится стабильный сигнал», а умный контроллер, имея источник точного времени, выполнит команду как надо и отрапортует чем-то вроде »CAPSTAN LOCK». Конечно, всё даётся не просто так, последовательные интерфейсы сложнее в реализации. Если надо передавать что-то сложнее состояния 8 кнопок, уже требуется протокол обмена — набор правил формирования пакетов данных, благодаря которому оборудование разных производителей может понимать друг друга. Могут быть протоколы поверх протоколов, например, физический транспорт RS-422, в котором живёт логический транспорт Modbus, поверх которого для передачи команд реализован оригинальный протокол фирмы «Васян и пацаны, Ltd.». Ну или см. «модель OSI» — это про то как организована иерархия (стек) протоколов поверх физического интерфейса Ethernet.
В этой статье мы очень кратно рассмотрели основные физические интерфейсы передачи данных, наиболее используемые для управления всяким оборудованием в народном хозяйстве. Это, конечно, далеко не всё. Например, совсем не затронута важнейшая тема помехозащищённости тех или иных типов линий, передача сигналов на дальные расстояния, использование других физических сред кроме медного провода (радио, оптика и др.). Но об этом как-нибудь в другой раз.
