الإطارات والبروتوكولات في الأتمتة الصناعية: كيف يعمل كل شيء

من المؤكد أن الكثير من الناس يعرفونك أو حتى يروا كيف تتم إدارة الأشياء الآلية الكبيرة ، على سبيل المثال ، محطة للطاقة النووية أو محطة بها العديد من الخطوط التكنولوجية: غالبًا ما يحدث الإجراء الرئيسي في غرفة كبيرة ، مع مجموعة من الشاشات والأضواء وأجهزة التحكم عن بعد. يُطلق على مجمع التحكم عادةً غرفة التحكم الرئيسية - لوحة التحكم الرئيسية لمراقبة منشأة الإنتاج.

بالتأكيد كنت تتساءل كيف يعمل كل هذا من حيث الأجهزة والبرامج ، وما نوع بروتوكولات نقل البيانات المستخدمة هناك. في هذه المقالة ، سنبحث في كيفية وصول البيانات المختلفة إلى لوحة التحكم الرئيسية ، وكيفية إرسال أوامر المعدات ، وما هو مطلوب لإدارة محطة الضاغط ، أو وحدة إنتاج البروبان ، أو خط تجميع السيارات ، أو حتى نظام ضخ مياه الصرف الصحي.

المستوى الأدنى أو ناقل المجال هو المكان الذي يبدأ فيه كل شيء

يتم استخدام هذه المجموعة الغامضة من الكلمات عندما يكون ذلك ضروريًا لوصف وسائل اتصال أجهزة التحكم بأجهزة تابعة ، على سبيل المثال ، وحدات الإدخال / الإخراج أو أجهزة القياس.

من خلال أجهزة التحكم نعني PLC ، أي وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (الإنجليزية PLC) ، أو PKA ، أي أدوات التحكم الآلي القابلة للبرمجة (Eng. PAC). هناك بعض الاختلافات بين PLC و PKA ، ومع ذلك ، في إطار هذه المقالة ، فهي ليست مهمة ، لذلك ، لتبسيط سنستخدم المصطلح العام "تحكم".

في مجتمع الناطقين بالروسية في asushniks ، عادة ما تسمى قناة الاتصال بين جهاز التحكم والأجهزة الأخرى "الناقل الميداني" ، لأنها مسؤولة عن نقل البيانات التي تأتي من "الحقل".

يُعد "الحقل" مصطلحًا احترافيًا عميقًا لحقيقة أن بعض المعدات (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار أو المشغلات) التي يتفاعل معها جهاز التحكم تقع في مكان ما ، بعيدًا ، في الشارع ، في الحقول ، تحت غطاء الليل. ولا يهم أن يقع المستشعر على بعد نصف متر من وحدة التحكم وقياس درجة الحرارة في خزانة التشغيل الآلي ، على سبيل المثال ، لا يزال يعتبر "في الحقل". في معظم الأحيان ، لا تزال الإشارات الصادرة عن أجهزة الاستشعار التي تصل إلى وحدات الإدخال / الإخراج تغطي مسافات تتراوح من عشرات إلى مئات الأمتار (وأحيانًا أكثر) ، وجمع المعلومات من المواقع البعيدة أو المعدات. في الواقع ، لذلك ، عادةً ما تسمى حافلة التبادل التي تستقبل من خلالها وحدة التحكم القيم من هذه المستشعرات نفسها ناقل المجال أو ناقل المستوى الأدنى أو الناقل الصناعي في كثير من الأحيان.

تجدر الإشارة هنا إلى أنه في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية فقط الأجهزة الموجودة "في الحقل" ، ولكن ليس وسيلة نقل البيانات ، تعتبر مستوى المجال. في الواقع الروسي ، ربما يكون مصطلح "ناقل ميداني" أو "ناقل منخفض المستوى" غير واضح إلى حد ما ويشير إلى طريقة لنقل البيانات من وحدات الإدخال / الإخراج إلى وحدة التحكم والعكس بالعكس.


المخطط العام للتشغيل الآلي للمنشآت الصناعية

لذلك ، فإن الإشارة الكهربائية من المستشعر تمر مسافة معينة على طول خطوط الكابل (في معظم الأحيان على طول الكابل النحاسي المعتاد مع عدد معين من النوى) ، والتي يتم توصيل العديد من أجهزة الاستشعار. ثم تدخل الإشارة إلى وحدة المعالجة (وحدة الإدخال / الإخراج) ، حيث يتم تحويلها إلى لغة رقمية يفهمها جهاز التحكم. علاوة على ذلك ، يتم إرسال هذه الإشارة مباشرة إلى وحدة التحكم عن طريق ناقل المجال ، حيث تتم معالجتها بالفعل بالكامل. بناءً على هذه الإشارات ، تم بناء منطق وحدة التحكم نفسها. يوجد مسار رجوع: من وحدة التحكم ، يتم توجيه أمر التحكم عبر ناقل الحقل إلى وحدة الإخراج ، حيث يتم تحويله من رقمي إلى تمثيلي ويتم إرساله عبر خطوط الكابل إلى مشغلات وأجهزة مختلفة (لا تظهر في الرسم البياني أعلاه).

المستوى العلوي: من الطوق إلى محطة العمل بأكملها

يشير المستوى العلوي إلى كل شيء يمكن لمسه من قبل المشغل العادي الذي يتحكم في العملية. في أبسط الحالات ، المستوى العلوي هو مجموعة من المصابيح والأزرار. تشير المصابيح الكهربائية إلى المشغل حول أحداث معينة في النظام ، وتعمل الأزرار على إرسال أوامر إلى وحدة التحكم. غالبًا ما يطلق على هذا النظام اسم "إكليل" أو "شجرة عيد الميلاد" لأنه يشبه إلى حد كبير (كما ترون من الصورة في بداية المقال).

إذا كان المشغل أكثر حظًا ، فسيحصل على لوحة التشغيل كمستوى علوي - وهو نوع من أجهزة الكمبيوتر المسطحة ، يستقبل بطريقة أو بأخرى البيانات للعرض من وحدة التحكم ويعرضها على الشاشة. عادةً ما يتم تثبيت هذه اللوحة على خزانة الأتمتة نفسها ، لذلك عليك أن تتفاعل معها ، كقاعدة عامة ، أثناء الوقوف ، والذي يسبب الإزعاج ، بالإضافة إلى جودة الصورة وحجمها - إذا كانت لوحة صغيرة التنسيق - يترك الكثير مما هو مرغوب فيه.



وأخيرًا ، عامل جذب كرم غير مسبوق - محطة عمل (أو حتى عدة مكررة) ، وهو جهاز كمبيوتر شخصي عادي.

لعرض المعلومات بصريًا على محطات العمل وأجهزة الكمبيوتر المسطحة باستخدام برامج متخصصة - أنظمة SCADA. يتم ترجمة SCADA إلى اللغة البشرية كنظام للرقابة الإشرافية وجمع البيانات. ويشمل العديد من المكونات ، مثل واجهة الإنسان والآلة التي تصور العمليات التكنولوجية ، ونظام التحكم لهذه العمليات ، ونظام أرشفة المعلمات وتسجيل الأحداث ، ونظام إدارة الإنذار ، إلخ. كل هذا يعطي المشغل صورة كاملة للعمليات التي تحدث في الإنتاج ، وكذلك القدرة على إدارتها والاستجابة السريعة للانحرافات عن العملية.

يجب أن تتفاعل المعدات ذات المستوى الأعلى بطريقة ما مع وحدة التحكم (وإلا لماذا تكون هناك حاجة؟). بالنسبة لهذا التفاعل ، يتم استخدام بروتوكولات المستوى الأعلى وبعض تقنيات الإرسال ، على سبيل المثال ، Ethernet أو UART. في حالة شجرة عيد الميلاد ، بالطبع ، لا تحتاج إلى مثل هذا التطور ، حيث يتم إضاءة المصابيح باستخدام الخطوط المادية التقليدية ، ولا توجد واجهات وبروتوكولات معقدة هناك.

بشكل عام ، هذا المستوى العلوي أقل إثارة للاهتمام من الناقل الميداني ، نظرًا لأن هذا المستوى العلوي قد لا يكون موجودًا على الإطلاق (لا يوجد شيء يراه المشغل من هذه السلسلة ، سوف تتحكم وحدة التحكم في ماذا وكيف تفعل).

بروتوكول البيانات القديمة: Modbus و HART

قليل من الناس يعلمون ، لكن في اليوم السابع من خلق العالم ، لم يرحم الله ، بل خلق مودبوس. إلى جانب بروتوكول HART ، ربما كان Modbus هو أقدم بروتوكول لنقل البيانات الصناعية ؛ فقد ظهر بالفعل في عام 1979.

تم استخدام الواجهة التسلسلية في البداية كوسيلة نقل ، ثم تم تنفيذ Modbus عبر TCP / IP. هذا بروتوكول متزامن وفقًا لمخطط العبد الرئيسي (السيد والعبد) ، حيث يتم استخدام مبدأ الاستجابة للطلب. البروتوكول ثقيل الوزن وبطيء إلى حد ما ، ويعتمد سعر الصرف على خصائص جهاز الاستقبال والارسال ، ولكن عادة ما يكون العدد مئات الميلي ثانية تقريبًا ، وخاصة في التنفيذ عبر واجهة تسلسلية.

علاوة على ذلك ، فإن سجل نقل البيانات Modbus هو 16 بت ، والذي يفرض على الفور قيودًا على نقل الأنواع الحقيقية والمزدوجة. تنتقل إما في أجزاء أو مع فقدان الدقة. على الرغم من أن Modbus لا يزال يستخدم على نطاق واسع في الحالات التي لا تكون هناك حاجة لسعر صرف مرتفع وفقدان البيانات المرسلة ليست حرجة. العديد من الشركات المصنعة للأجهزة المختلفة ترغب في تمديد بروتوكول Modbus بطريقتها الحصرية والأصلية ، مع إضافة ميزات غير قياسية. لذلك ، يحتوي هذا البروتوكول على العديد من الطفرات والانحرافات عن القاعدة ، ولكنه لا يزال يعيش بنجاح في العالم الحديث.
يوجد بروتوكول HART أيضًا منذ الثمانينيات ، وهو بروتوكول صناعي للتبادل عبر خط حلقة تيار من سلكين ، والذي يربط مباشرة بين أجهزة استشعار 4-20 مللي أمبير والأجهزة الأخرى مع دعم لبروتوكول HART.

لتبديل خطوط HART ، يتم استخدام أجهزة خاصة ، تسمى أجهزة مودم HART. هناك أيضا محولات توفر في الناتج للمستخدم ، على سبيل المثال ، بروتوكول Modbus.

ربما يكون HART جديرًا بالملاحظة أنه بالإضافة إلى الإشارات التناظرية لمستشعرات 4-20 مللي أمبير ، يتم أيضًا إرسال إشارة رقمية للبروتوكول نفسه في الدائرة ، مما يسمح لك بتوصيل الأجزاء الرقمية والتناظرية في خط كابل واحد. يمكن توصيل أجهزة مودم HART الحديثة بمنفذ USB الخاص بوحدة التحكم ، أو الاتصال عبر Bluetooth ، أو بالطريقة القديمة عبر المنفذ التسلسلي. منذ عشر سنوات ، وقياسًا على Wi-Fi ، ظهر معيار WirelessHART ، الذي يعمل في نطاق ISM.

بروتوكولات الجيل الثاني أو حافلات ISA غير الصناعية و PCI (e) و VME

تم استبدال بروتوكولات Modbus و HART بواسطة حافلات غير صناعية تمامًا ، مثل ISA (MicroPC ، PC / 104) أو PCI / PCIe (CompactPCI ، CompactPCI Serial ، StacPC) ، وكذلك VME.

لقد وصل عصر الآلات الحاسبة التي تحت تصرفها ناقل نقل بيانات عالمي ، حيث يمكن توصيل العديد من اللوحات (الوحدات) لمعالجة إشارة موحدة معينة. وكقاعدة عامة ، في هذه الحالة ، يتم إدخال وحدة المعالج (الحاسبة) في إطار ما يسمى ، والذي يوفر اتصال الحافلة مع الأجهزة الأخرى. إن الإطار ، أو ، كما يحب مهندسو الأتمتة مبتذلة أن يطلقوا عليه ، "قفص" ، يتم استكماله ببطاقات الإدخال / الإخراج الضرورية: تمثيلية ، منفصلة ، واجهة ، وما إلى ذلك ، أو كل هذا عالق معًا في شكل سندوتش بدون إطار - لوحة واحدة على الجانب الآخر. بعد ذلك ، تتبادل هذه المنوع على الحافلة (ISA ، PCI ، إلخ) البيانات مع وحدة المعالج ، والتي تتلقى المعلومات من المستشعرات وتنفذ منطقًا معينًا.


وحدات التحكم و I / O في هيكل PXI على ناقل PCI. المصدر: مؤسسة الصكوك الوطنية

سيكون كل شيء على ما يرام مع حافلات ISA و PCI (e) و VME ، خاصةً في تلك الأوقات: لا تنزعج سرعة التبادل ، وتقع مكونات النظام في إطار واحد ، مضغوط ومريح ، وقد لا تكون هناك بطاقة I / O قابلة للتبديل السريع ، ولكن لا تزال لا تريد حقا أن.

ولكن هناك ذبابة في المرهم ، وليس واحدة. من الصعب للغاية بناء النظام الموزع في مثل هذا التكوين ، فالناقل المحلي قابل للتبديل ، وتحتاج إلى اختراع شيء لتبادل البيانات مع العقد الأخرى أو الأقران الأخرى ، أو Modbus نفسه فوق TCP / IP أو بعض البروتوكولات الأخرى ، بشكل عام ، لا يوجد الكثير من الراحة. حسنًا ، الثاني ليس شيئًا لطيفًا: تنتظر لوحات الإدخال / الإخراج عادةً بعض الإشارات الموحدة لتكون مدخلات ، وليست لديهم عزل كلفاني مع المعدات الميدانية ، لذلك تحتاج إلى سياج الحديقة من وحدات التحويل المختلفة والدوائر الوسيطة ، مما يعقد قاعدة العنصر بشكل كبير.


وحدات تحويل إشارة وسيطة مع عزل كلفاني. المصدر: شركة DataForth

"وماذا عن بروتوكول التبادل على الحافلة الصناعية؟" - أنت تسأل. لكن لا شيء. لا يوجد شيء في مثل هذا التنفيذ. من خلال خطوط الكبل ، تنتقل الإشارة من المستشعرات إلى محولات الإشارة ، وتوفر المحولات الجهد الكهربي للوحة I / O منفصلة أو تمثيلية ، وتتم قراءة البيانات من اللوحة بالفعل عبر منافذ الإدخال / الإخراج باستخدام أدوات نظام التشغيل. وليس البروتوكولات المتخصصة.

كيف تعمل الإطارات الصناعية والبروتوكولات الحديثة

ماذا الان؟ حتى الآن ، تغيرت الأيديولوجية الكلاسيكية لبناء الأنظمة الآلية قليلاً. لعبت العديد من العوامل دورًا ، بدءًا من حقيقة أن الأتمتة يجب أن تكون مريحة أيضًا ، وتنتهي مع الاتجاه نحو الأنظمة الآلية الموزعة مع عقد بعيدة عن بعضها البعض.

ربما يمكننا القول أنه يوجد اليوم مفهومان أساسيان لأنظمة التشغيل الآلي للبناء: الأنظمة الآلية المحلية والموزعة.

في حالة الأنظمة المحلية ، حيث يتم تجميع البيانات والتحكم فيها بشكل مركزي في مكان واحد معين ، فإن مفهوم مجموعة معينة من وحدات المدخلات والمخرجات المترابطة بواسطة ناقل سريع مشترك ، بما في ذلك وحدة تحكم مع بروتوكول الاتصال الخاص بها ، هو في الطلب. علاوة على ذلك ، كقاعدة عامة ، تشمل وحدات المدخلات والمخرجات كلاً من محول إشارة وعزل كلفاني (على الرغم من أنه ليس دائمًا بالطبع). أي أنه يكفي للمستهلك النهائي فهم أنواع المجسات والآليات التي ستكون موجودة في النظام الآلي ، وحساب عدد وحدات المدخلات والمخرجات المطلوبة لأنواع مختلفة من الإشارات وتوصيلها في سطر واحد مشترك مع وحدة التحكم. في هذه الحالة ، كقاعدة عامة ، يستخدم كل مصنع بروتوكول الاتصال المفضل لديهم بين وحدات الإدخال والإخراج ووحدة التحكم ، ويمكن أن يكون هناك الكثير من الخيارات.

في حالة الأنظمة الموزعة ، كل ما يقال عن الأنظمة المترجمة صحيح ، بالإضافة إلى ذلك ، من المهم أن المكونات الفردية ، على سبيل المثال ، مجموعة من وحدات المدخلات والمخرجات بالإضافة إلى جهاز لجمع ونقل المعلومات ، ليست وحدة تحكم ذكية للغاية ، وتقع في مكان ما في كشك في يمكن أن يتفاعل الحقل ، بجانب الرافعة التي تسد الزيت ، مع نفس العقد ومع وحدة التحكم الرئيسية على مسافة كبيرة مع سعر صرف فعال.

كيف يختار المطورون بروتوكولًا لمشروعهم؟ توفر جميع بروتوكولات التبادل الحديثة سرعة عالية إلى حد ما ، لذا غالبًا ما يكون اختيار الشركة المصنعة لا يرجع إلى سعر الصرف على هذه الحافلة الصناعية نفسها. ليس من الأهمية بمكان تنفيذ البروتوكول نفسه ، لأنه ، من وجهة نظر مطور النظام ، سيظل صندوقًا أسود يوفر نوعًا من بنية التبادل الداخلي وغير مصمم للتدخل الخارجي. في أغلب الأحيان ، ينتبهون إلى الخصائص العملية: أداء الآلة الحاسبة ، وراحة تطبيق مفهوم الشركة المصنعة على المهمة ، ووجود الأنواع الضرورية من وحدات الإدخال / الإخراج ، والقدرة على تبديل الوحدات الساخنة دون كسر الحافلة ، إلخ.

يقدم موردو المعدات المشهورون تطبيقاتهم الخاصة للبروتوكولات الصناعية: على سبيل المثال ، تقوم شركة Siemens المعروفة بتطوير سلسلة خاصة بها من بروتوكولات Profinet و Profibus ، B&R - بروتوكول Powerlink ، Rockwell Automation - EtherNet / IP protocol. الحل المحلي في قائمة الأمثلة هذه: إصدار بروتوكول FBUS من الشركة الروسية Fastwel.

هناك حلول أكثر عالمية لا ترتبط بمصنّع معين ، مثل EtherCAT و CAN. سنقوم بتحليل هذه البروتوكولات بالتفصيل في متابعة المقال ومعرفة أي منها هو الأنسب لتطبيقات محددة: صناعات السيارات والفضاء ، والإلكترونيات ، وأنظمة تحديد المواقع ، والروبوتات. ابقى على اتصال