当然，很多人都知道您，甚至看到了如何管理大型自动化对象，例如核电站或具有许多技术路线的工厂：主要动作通常是在一个大房间里进行的，房间里有一堆屏幕，灯光和遥控器。 该控制中心通常称为主控制室-用于监视生产设备的主控制面板。
您肯定想知道这一切在硬件和软件方面如何工作，以及在那里使用了哪种数据传输协议。 在本文中，我们将研究各种数据如何到达主控制面板，如何发送设备命令，以及管理压缩机站，丙烷生产单元，汽车装配线甚至污水泵送系统所需的内容。
下层或现场总线就是所有的起点
当需要描述控制设备与从属设备（例如，输入-输出模块或测量设备）的通讯方式时，会使用此模糊的词语集。
控制设备是指PLC，即 可编程逻辑控制器（英文PLC）或PKA，即 可编程自动化控制器（Eng。PAC）。 PLC和PKA之间有一些区别，但是，在本文的框架内它们并不重要，因此，为简化起见，我们将使用通用术语“控制器”。
在说俄语的asushniks社区中，控制器和其他设备之间的通信通道通常称为“现场总线”，因为它负责传输来自“现场”的数据。
“现场”是一个深奥的专业术语，表示与控制器交互的某些设备（例如传感器或执行器）位于夜晚，田野，街道，田野中的某个遥远的地方。 传感器可以放置在距控制器半米远的地方，并测量例如自动化机柜中的温度，但这仍然被认为是“现场”。 通常，来自到达I / O模块的传感器的信号仍然覆盖数十到数百米（有时甚至更多）的距离，并从远程站点或设备收集信息。 因此，实际上，控制器通常通过它通过交换总线从这些相同的传感器接收值，称为现场总线，或者很少称为下级总线或工业总线。
在此应该注意的是，在欧洲和美国，只有位于“现场”的设备才被视为现场级别，而不是数据传输介质。 在俄罗斯现实中，术语“现场总线”或“较低级别的总线”可能有点模糊，表示一种将数据从I / O模块传输到控制器的方法，反之亦然。
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（通常沿着具有一定数量芯线的普通铜线）经过一定距离，并与多个传感器相连。 然后，信号进入处理模块（I / O模块），在此将其转换为控制器可以理解的数字语言。 此外，该信号通过现场总线直接发送到控制器，在此已被完全处理。 基于这些信号，构建控制器本身的逻辑。 有一条返回路径：控制命令从控制器通过现场总线进入输出模块，在此将其从数字转换为模拟，然后通过电缆传输到执行器和各种设备（在上图中未显示）。
上层：从花环到整个工作站
上层是指控制该过程的普通凡人操作员可以触摸的所有内容。 在最简单的情况下，最上层是一组灯泡和按钮。 灯泡向操作员发出有关系统中某些事件的信号，按钮用于向控制器发送命令。 这样的系统通常被称为“花环”或“圣诞树”，因为它看起来非常相似（如您在本文开头的图片中所见）。
如果操作员比较幸运，那么他将把操作员面板作为顶级平台-一种平板计算机，以一种或另一种方式从控制器接收要显示的数据并将其显示在屏幕上。 这样的面板通常安装在自动化柜本身上，因此通常必须站立时与之互动，这会带来不便，此外，图像的质量和大小-如果是小尺寸面板-则有很多不足之处。
最后，空前的慷慨吸引了人们-工作站（或什至是多个副本），它是一台普通的个人计算机。
使用专用软件-SCADA系统在工作站和平板计算机上可视地显示信息。 SCADA被翻译成人类语言，作为监督控制和数据收集的系统。 它包括许多组件，例如可视化工艺流程的人机界面，用于这些流程的控制系统，参数归档系统和事件记录，警报管理系统等。 所有这些使操作员可以对生产过程中发生的过程有一个完整的了解，并具有管理过程并快速响应过程偏差的能力。
顶级设备必须以某种方式与控制器交互（否则为什么需要它？）。 对于这种交互，使用了顶级协议和某些传输技术，例如以太网或UART。 当然，在圣诞树的情况下，您不需要这种复杂性，灯泡是使用常规物理线路点亮的，那里没有复杂的接口和协议。
通常，该上层内容比现场总线有趣，因为该上层内容可能根本不存在（操作员从系列产品中看不到任何东西，控制器将弄清楚怎么做和如何做）。
古代数据协议：Modbus和HART
很少有人知道，但是在创造世界的第七天，上帝没有安息，而是创造了Modbus。 与HART协议一起，Modbus也许是最古老的工业数据传输协议；它早在1979年就已出现。
串行接口最初用作传输介质，然后通过TCP / IP实现Modbus。 这是根据主从方案（master-slave）的同步协议，其中使用了请求-响应的原理。 该协议重量级且速度慢，交换速率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，尤其是在通过串行接口实现时。
此外，Modbus数据传输寄存器是16位的，这立即限制了实型和双精度类型的传输。 它们要么部分传输，要么准确性不高。 尽管Modbus在不需要高汇率且传输数据的丢失并不重要的情况下仍被广泛使用。 各种设备的许多制造商都喜欢以其独有的，非常原始的方式扩展Modbus协议，增加了非标准功能。 因此，该协议与规范存在许多变异和偏差，但仍成功地存在于现代世界中。
HART协议自80年代开始也存在，它是一种工业协议，用于通过两线电流环路线路进行交换，该线路直接连接4-20 mA传感器和其他支持HART协议的设备。
为了切换HART线路，使用了特殊的设备，即所谓的HART调制解调器。 也有一些转换器在输出端为用户提供Modbus协议。
HART可能值得注意，因为除了4-20 mA传感器的模拟信号外，协议本身的数字信号也在电路中传输，这使您可以将数字和模拟部分连接在一条电缆线上。 现代HART调制解调器可以连接到控制器的USB端口，可以通过蓝牙连接，也可以通过串行端口以旧方式连接。 十年前，类似于Wi-Fi，出现了在ISM频段中工作的WirelessHART标准。
第二代协议或不太成熟的ISA，PCI（e）和VME总线
Modbus和HART协议已被工业总线取代，例如ISA（MicroPC，PC / 104）或PCI / PCIe（CompactPCI，CompactPCI Serial，StacPC）以及VME。
拥有通用数据总线的计算器已经到了时代，可以连接各种板（模块）以处理特定的统一信号。 通常，在这种情况下，将处理器模块（计算器）插入所谓的框架中，该框架提供与其他设备的总线通信。 框架，或如Trite自动化工程师所喜欢的那样，称为“板条箱”，配有必要的I / O卡：模拟，离散，接口等，或者所有这些都以不带框架的三明治形式粘在一起，一个板位于另一个板的顶部。 之后，总线上的该歧管（ISA，PCI等）与处理器模块交换数据，从而从传感器模块接收信息并实现某种逻辑。
PCI总线上PXI机箱中的控制器和I / O模块。 资料来源： 美国国家仪器公司使用这些ISA，PCI（e）和VME总线，一切都会很好，特别是在那些时候：交换速度不会受到干扰，并且系统组件位于单个框架中，紧凑而方便，可能没有可热插拔的I / O卡，但是仍然不是真的想要。
但是，药膏中有蝇，而没有。 用这种配置很难构建分布式系统，本地总线是可交换的，您需要发明一些东西来与其他从属或对等节点交换数据，TCP / IP或其他协议之上的同一Modbus，通常来说，没有太多的便利。 好吧，第二件事并不是一件令人愉快的事情：I / O板通常等待输入统一的信号，并且它们与现场设备之间没有电气隔离，因此您需要将花园与各种转换模块和中间电路隔离开来，这会使元件基础大大复杂化。
具有电流隔离的中间信号转换模块。 资料来源： DataForth公司“那工业总线上的交换协议又如何呢？” -你问。 但是什么都没有。 这样的实现没有任何东西。 通过电缆线，信号从传感器传递到信号转换器，转换器为分立或模拟I / O板提供电压，并且已经使用OS工具通过I / O端口读取板中的数据。 而且没有专门的协议。
现代工业轮胎和协议如何工作
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。 许多因素起了作用，首先是自动化也应该很方便，最后是趋向于分布式自动化系统，其节点彼此远离。
也许我们可以说，如今，楼宇自动化系统有两个基本概念：本地化和分布式自动化系统。
在本地化系统中，数据收集和控制集中在一个特定的位置，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，包括具有自己通信协议的控制器。 而且，通常，输入输出模块既包括信号转换器又包括电流隔离（尽管并非总是如此）。 也就是说，对于最终用户而言，了解自动化系统中将存在哪些类型的传感器和机构，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控制器的一条公共线路就足够了。 通常，在这种情况下，每个制造商都会在输入输出模块和控制器之间使用他们喜欢的通信协议，并且会有很多选择。
对于分布式系统，有关本地化系统的所有说法都是正确的，此外，重要的是各个组件（例如一组输入输出模块以及用于收集和传输信息的设备）不是一个非常智能的控制器，它位于展位的某个位置。紧挨着阻塞石油的起重机旁边的油田可以与相同的节点以及与主控制器进行有效距离的远距离交互。
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速度，因此，制造商的选择通常不是由于同一工业总线上的汇率。 协议本身的实现并不那么重要，因为从系统开发人员的角度来看，它仍然是一个提供某种内部交换结构且不为外部干扰而设计的黑匣子。 大多数情况下，他们关注实用特性：计算器的性能，将制造商的概念应用于任务的便利性，所需类型的I / O模块的存在，在不中断总线的情况下进行热交换的能力等。
受欢迎的设备供应商提供了自己的工业协议实施方案：例如，著名的西门子公司正在开发自己的Profinet和Profibus协议，B＆R-Powerlink协议，罗克韦尔自动化-EtherNet / IP协议。 该示例列表中的家用解决方案：俄罗斯公司Fastwel的FBUS协议版本。
还有更多不受特定制造商约束的通用解决方案，例如EtherCAT和CAN。 我们将在本文的后续部分中详细分析这些协议，并找出最适合特定应用的协议：汽车和航空航天工业，电子，定位系统和机器人技术。 保持联系！