औद्योगिक स्वचालन में टायर और प्रोटोकॉल: यह सब कैसे काम करता है

निश्चित रूप से बहुत से लोग आपको जानते हैं या यहां तक ​​कि देखा गया है कि बड़ी स्वचालित वस्तुओं का प्रबंधन कैसे किया जाता है, उदाहरण के लिए, एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र या कई तकनीकी लाइनों वाला संयंत्र: मुख्य कार्रवाई अक्सर एक बड़े कमरे में होती है, जिसमें स्क्रीन, रोशनी और रिमोट का एक गुच्छा होता है। इस नियंत्रण परिसर को आमतौर पर मुख्य नियंत्रण कक्ष कहा जाता है - उत्पादन सुविधा की निगरानी के लिए मुख्य नियंत्रण कक्ष।

निश्चित रूप से आप सोच रहे थे कि यह सब हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर के संदर्भ में कैसे काम करता है, और किस तरह के डेटा ट्रांसफर प्रोटोकॉल का उपयोग किया जाता है। इस लेख में, हम जांच करेंगे कि विभिन्न डेटा मुख्य नियंत्रण कक्ष को कैसे मिलते हैं, उपकरण कमांड कैसे भेजे जाते हैं, और कंप्रेसर स्टेशन, प्रोपेन प्रोडक्शन यूनिट, ऑटोमोबाइल असेंबली लाइन या यहां तक ​​कि सीवेज पंपिंग सिस्टम को प्रबंधित करने के लिए क्या आवश्यक है।

निचले स्तर या फील्डबस वह जगह है जहां यह सब शुरू होता है।

शब्दों के इस अस्पष्ट सेट का उपयोग तब किया जाता है जब अधीनस्थ उपकरण के साथ नियंत्रण उपकरणों के संचार के साधनों का वर्णन करना आवश्यक होता है, उदाहरण के लिए, इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल या मापने वाले उपकरण।

नियंत्रण उपकरणों से हमारा मतलब पीएलसी है, अर्थात प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (इंग्लिश पीएलसी), या पीकेए, यानी। प्रोग्रामेबल ऑटोमेशन कंट्रोलर्स (Eng। PAC)। पीएलसी और पीकेए के बीच कुछ अंतर हैं, हालांकि, इस लेख के ढांचे के भीतर वे महत्वपूर्ण नहीं हैं, इसलिए, सरलीकरण के लिए हम सामान्य शब्द "नियंत्रक" का उपयोग करेंगे।

असुशनिकों के रूसी-भाषी समुदाय में, नियंत्रक और अन्य उपकरणों के बीच संचार चैनल को आमतौर पर "फ़ील्ड बस" कहा जाता है, क्योंकि यह "फ़ील्ड" से आने वाले डेटा के हस्तांतरण के लिए जिम्मेदार है।

"फ़ील्ड" इस तथ्य के लिए एक गहरा पेशेवर शब्द है कि कुछ उपकरण (उदाहरण के लिए, सेंसर या एक्ट्यूएटर) जो नियंत्रक के साथ बातचीत करता है वह रात के कवर के तहत, दूर, सड़क पर, खेतों में कहीं पर स्थित है। और इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि सेंसर नियंत्रक और माप से आधा मीटर की दूरी पर स्थित हो सकता है, कहते हैं, स्वचालन कैबिनेट में तापमान, यह अभी भी "क्षेत्र में" माना जाता है। अक्सर, I / O मॉड्यूल पर पहुंचने वाले सेंसर से संकेत अभी भी दसियों से सैकड़ों मीटर (और कभी-कभी अधिक) तक की दूरी को कवर करते हैं, दूरस्थ साइटों या उपकरणों से जानकारी एकत्र करते हैं। दरअसल, इसलिए, विनिमय बस जिसके माध्यम से नियंत्रक को इन्हीं सेंसर से मान प्राप्त होता है, आमतौर पर एक फील्ड बस या कम अक्सर निचले स्तर की बस या औद्योगिक बस कहलाती है।

यहां यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यूरोप और यूएसए में केवल "फ़ील्ड" में स्थित डिवाइस हैं, लेकिन डेटा ट्रांसमिशन माध्यम नहीं, फ़ील्ड स्तर माना जाता है। रूसी वास्तविकताओं में, "फील्ड बस" या "निचले स्तर की बस" शब्द शायद थोड़ा धुंधला है और I / O मॉड्यूल से नियंत्रक और इसके विपरीत डेटा स्थानांतरित करने की एक विधि को दर्शाता है।


औद्योगिक सुविधा के स्वचालन की सामान्य योजना

तो, सेंसर से विद्युत संकेत केबल लाइनों के साथ एक निश्चित दूरी से गुजरता है (सबसे अधिक सामान्य कॉपर केबल के साथ निश्चित संख्या में कोर के साथ), जिसमें कई सेंसर जुड़े हुए हैं। फिर सिग्नल प्रोसेसिंग मॉड्यूल (I / O मॉड्यूल) में प्रवेश करता है, जहां इसे एक डिजिटल भाषा में परिवर्तित किया जाता है जिसे नियंत्रक समझता है। इसके अलावा, इस सिग्नल को सीधे कंट्रोलर को फील्ड बस के माध्यम से भेजा जाता है, जहां यह पहले से ही पूरी तरह से संसाधित है। इन संकेतों के आधार पर, नियंत्रक का तर्क स्वयं निर्मित होता है। एक वापसी का रास्ता है: नियंत्रक से, फील्ड बस के माध्यम से नियंत्रण कमांड आउटपुट मॉड्यूल को जाता है, जहां इसे डिजिटल से एनालॉग में परिवर्तित किया जाता है और केबल लाइनों के माध्यम से एक्चुएटर्स और विभिन्न उपकरणों (ऊपर आरेख में नहीं दिखाया गया है) तक प्रेषित किया जाता है।

ऊपरी स्तर: माला से पूरे कार्य केंद्र तक

ऊपरी स्तर उन सभी चीजों को संदर्भित करता है जिन्हें प्रक्रिया को नियंत्रित करने वाले साधारण नश्वर ऑपरेटर द्वारा छुआ जा सकता है। सबसे सरल मामले में, ऊपरी स्तर बल्ब और बटन का एक सेट है। प्रकाश बल्ब सिस्टम में कुछ घटनाओं के बारे में ऑपरेटर को संकेत देते हैं, बटन नियंत्रक को आदेश भेजने के लिए सेवा करते हैं। ऐसी प्रणाली को अक्सर "माला" या "क्रिसमस ट्री" कहा जाता है क्योंकि यह बहुत समान दिखता है (जैसा कि आप लेख की शुरुआत में फोटो से देख सकते हैं)।

यदि ऑपरेटर अधिक भाग्यशाली है, तो वह ऑपरेटर पैनल को शीर्ष स्तर के रूप में प्राप्त करेगा - एक प्रकार का फ्लैट पैनल कंप्यूटर, जो एक तरह से या किसी अन्य को नियंत्रक से प्रदर्शन के लिए डेटा प्राप्त करता है और इसे स्क्रीन पर प्रदर्शित करता है। इस तरह के एक पैनल को आमतौर पर स्वचालन कैबिनेट पर रखा जाता है, इसलिए आपको इसके साथ बातचीत करनी होगी, एक नियम के रूप में, खड़े होने के दौरान, जो असुविधा का कारण बनता है, साथ ही छवि की गुणवत्ता और आकार - यदि यह एक छोटे प्रारूप वाला पैनल है - वांछित होने के लिए बहुत कुछ छोड़ देता है।



और अंत में, अभूतपूर्व उदारता का एक आकर्षण - एक वर्कस्टेशन (या यहां तक ​​कि कई डुप्लिकेट), जो एक साधारण व्यक्तिगत कंप्यूटर है।

विशेष सॉफ्टवेयर का उपयोग करके वर्कस्टेशन और फ्लैट पैनल कंप्यूटर पर नेत्रहीन जानकारी प्रदर्शित करने के लिए - स्काडा-सिस्टम। SCADA का पर्यवेक्षी नियंत्रण और डेटा संग्रह की एक प्रणाली के रूप में मानव भाषा में अनुवाद किया जाता है। इसमें कई घटक शामिल हैं, जैसे कि मानव-मशीन इंटरफ़ेस जो तकनीकी प्रक्रियाओं, इन प्रक्रियाओं के लिए एक नियंत्रण प्रणाली, एक पैरामीटर संग्रह प्रणाली और इवेंट लॉगिंग, एक अलार्म प्रबंधन प्रणाली, आदि की कल्पना करता है। यह सब ऑपरेटर को उत्पादन में होने वाली प्रक्रियाओं की पूरी तस्वीर देता है, साथ ही उन्हें प्रबंधन करने और प्रक्रिया से विचलन के लिए जल्दी से प्रतिक्रिया करने की क्षमता प्रदान करता है।

शीर्ष-स्तरीय उपकरण को नियंत्रक के साथ किसी तरह बातचीत करनी चाहिए (अन्यथा इसकी आवश्यकता क्यों है?)। इस इंटरैक्शन के लिए, शीर्ष-स्तरीय प्रोटोकॉल और कुछ ट्रांसमिशन तकनीक, उदाहरण के लिए, ईथरनेट या UART, का उपयोग किया जाता है। क्रिसमस के पेड़ के मामले में, निश्चित रूप से, आपको इस तरह के परिष्कार की आवश्यकता नहीं है, बल्ब पारंपरिक भौतिक लाइनों का उपयोग करके जलाया जाता है, वहां कोई परिष्कृत इंटरफेस और प्रोटोकॉल नहीं हैं।

सामान्य तौर पर, यह ऊपरी स्तर फील्ड बस की तुलना में कम दिलचस्प है, क्योंकि यह ऊपरी स्तर बिल्कुल भी मौजूद नहीं हो सकता है (ऑपरेटर से श्रृंखला के लिए कुछ भी नहीं है, नियंत्रक यह पता लगाएगा कि क्या और कैसे करना है)।

प्राचीन डेटा प्रोटोकॉल: मोडबस और हार्ट

कुछ लोगों को पता है, लेकिन दुनिया के निर्माण के सातवें दिन, भगवान ने आराम नहीं किया, बल्कि मोडबस बनाया। हार्ट प्रोटोकॉल के साथ, मोडबस शायद सबसे पुराना औद्योगिक डेटा ट्रांसफर प्रोटोकॉल है, यह 1979 में पहले से ही दिखाई दिया था।

सीरियल इंटरफ़ेस को शुरुआत में ट्रांसमिशन माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया गया था, फिर मोडबस को टीसीपी / आईपी पर लागू किया गया था। यह मास्टर-स्लेव स्कीम (मास्टर-स्लेव) के अनुसार एक तुल्यकालिक प्रोटोकॉल है, जिसमें अनुरोध-प्रतिक्रिया के सिद्धांत का उपयोग किया जाता है। प्रोटोकॉल बल्कि भारी और धीमा है, विनिमय दर रिसीवर और ट्रांसमीटर की विशेषताओं पर निर्भर करती है, लेकिन आमतौर पर गिनती लगभग सैकड़ों मिलीसेकंड की होती है, खासकर एक सीरियल इंटरफ़ेस के माध्यम से कार्यान्वयन में।

इसके अलावा, मोडबस डेटा ट्रांसफर रजिस्टर 16-बिट है, जो तुरंत वास्तविक और दोहरे प्रकार के प्रसारण पर प्रतिबंध लगाता है। वे या तो भागों में या सटीकता के नुकसान के साथ प्रेषित होते हैं। हालाँकि मोडबस अभी भी उन मामलों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है जहाँ उच्च विनिमय दर की आवश्यकता नहीं होती है और प्रेषित डेटा की हानि महत्वपूर्ण नहीं होती है। विभिन्न उपकरणों के कई निर्माता गैर-मानक सुविधाओं को जोड़ते हुए, अपने अनन्य और बहुत मूल तरीके से मोडबस प्रोटोकॉल का विस्तार करना पसंद करते हैं। इसलिए, इस प्रोटोकॉल के आदर्श से कई उत्परिवर्तन और विचलन हैं, लेकिन अभी भी सफलतापूर्वक आधुनिक दुनिया में रहता है।
अठारह के बाद से एचएआरटी प्रोटोकॉल भी मौजूद है, यह दो-तार वर्तमान लूप लाइन पर आदान-प्रदान करने के लिए एक औद्योगिक प्रोटोकॉल है, जो सीधे एचआरटी प्रोटोकॉल के लिए समर्थन के साथ 4-20 एमए सेंसर और अन्य उपकरणों को जोड़ता है।

HART लाइनों को बदलने के लिए, विशेष उपकरणों, तथाकथित HART मॉडेम का उपयोग किया जाता है। कन्वर्टर्स भी हैं जो आउटपुट में उपयोगकर्ता को मोडबस प्रोटोकॉल कहते हैं।

HART शायद इसमें उल्लेखनीय है कि 4-20 mA सेंसर के एनालॉग सिग्नल के अलावा, प्रोटोकॉल का एक डिजिटल सिग्नल भी सर्किट में प्रसारित होता है, इससे आप एक केबल लाइन में डिजिटल और एनालॉग भागों को कनेक्ट कर सकते हैं। आधुनिक HART मॉडेम को कंट्रोलर के USB पोर्ट से, ब्लूटूथ के माध्यम से, या पुराने फैशन में सीरियल पोर्ट के माध्यम से जोड़ा जा सकता है। दस साल पहले, वाई-फाई के साथ समानता से, आईएसएम बैंड में काम करने वाला वायरलेसहार्ट मानक दिखाई दिया।

दूसरी पीढ़ी के प्रोटोकॉल या नहीं तो उद्योग ISA, PCI (e), और VME बसें

Modbus और HART प्रोटोकॉल को काफी औद्योगिक बसों जैसे कि ISA (MicroPC, PC / 104) या PCI / PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) के साथ-साथ VME द्वारा प्रतिस्थापित नहीं किया गया था।

कैलकुलेटर के युग में उनके निपटान में एक सार्वभौमिक डेटा ट्रांसफर बस आ गई है, जहां विभिन्न बोर्डों (मॉड्यूल) को एक निश्चित एकीकृत सिग्नल को संसाधित करने के लिए जोड़ा जा सकता है। एक नियम के रूप में, इस मामले में, प्रोसेसर मॉड्यूल (कैलकुलेटर) को तथाकथित फ्रेम में डाला जाता है, जो अन्य उपकरणों के साथ बस संचार प्रदान करता है। फ़्रेम, या, जैसा कि ट्राइट ऑटोमेशन इंजीनियर इसे कॉल करना पसंद करते हैं, "टोकरा", आवश्यक I / O कार्ड के साथ पूरक है: एनालॉग, असतत, इंटरफ़ेस, आदि, या यह सब एक फ्रेम के बिना सैंडविच के रूप में एक साथ अटक गया है - दूसरे के ऊपर एक बोर्ड। उसके बाद, यह बस (आईएसए, पीसीआई, आदि) पर कई गुना प्रोसेसर मॉड्यूल के साथ डेटा का आदान-प्रदान करता है, जो इस प्रकार सेंसर से जानकारी प्राप्त करता है और एक निश्चित तर्क को लागू करता है।


PCI बस में PXI चेसिस में कंट्रोलर और I / O मॉड्यूल। स्रोत: राष्ट्रीय उपकरण निगम

इन आईएसए, पीसीआई (ई) और वीएमई बसों के साथ सब कुछ ठीक होगा, विशेष रूप से उन समय के लिए: विनिमय की गति परेशान नहीं होती है, और सिस्टम घटक एक फ्रेम, कॉम्पैक्ट और सुविधाजनक में स्थित होते हैं, हो सकता है कि एक गर्म-swappable / O कार्ड न हो, लेकिन अभी भी वास्तव में नहीं करना चाहता।

लेकिन मरहम में एक मक्खी होती है, और एक नहीं। इस तरह के कॉन्फ़िगरेशन में निर्माण के लिए एक वितरित प्रणाली काफी मुश्किल है, स्थानीय बस विनिमेय है, आपको अन्य अधीनस्थ या सहकर्मी नोड्स के साथ डेटा का आदान-प्रदान करने के लिए कुछ आविष्कार करने की आवश्यकता है, सामान्य रूप से टीसीपी / आईपी या कुछ अन्य प्रोटोकॉल के शीर्ष पर एक ही मोडबस, पर्याप्त सुविधा नहीं है। ठीक है, दूसरी बहुत सुखद बात नहीं है: I / O बोर्ड आमतौर पर कुछ एकीकृत सिग्नल के प्रवेश की प्रतीक्षा करते हैं, और उनके पास फ़ील्ड उपकरण के साथ गैल्वेनिक अलगाव नहीं होता है, इसलिए आपको विभिन्न रूपांतरण मॉड्यूल और मध्यवर्ती सर्किट्री से बगीचे को बाड़ने की आवश्यकता होती है, जो तत्व आधार को बहुत जटिल करता है।


गैल्वेनिक अलगाव के साथ मध्यवर्ती संकेत रूपांतरण मॉड्यूल। स्रोत: डाटाफॉर कॉर्पोरेशन

"और औद्योगिक बस में एक्सचेंज के लिए प्रोटोकॉल के बारे में क्या?" - आप पूछें। लेकिन कुछ भी नहीं। इस तरह के कार्यान्वयन में कोई भी नहीं है। केबल लाइनों के माध्यम से, सिग्नल सेंसर से सिग्नल कन्वर्टर्स तक जाता है, कन्वर्टर्स एक असतत या एनालॉग I / O बोर्ड को वोल्टेज प्रदान करते हैं, और बोर्ड से डेटा पहले से ही OS टूल्स का उपयोग करके I / O पोर्ट के माध्यम से पढ़ा जाता है। और कोई विशेष प्रोटोकॉल नहीं।

आधुनिक औद्योगिक टायर और प्रोटोकॉल कैसे काम करते हैं

अब क्या? आज तक, स्वचालित प्रणालियों के निर्माण की शास्त्रीय विचारधारा थोड़ी बदल गई है। कई कारकों ने एक भूमिका निभाई, इस तथ्य के साथ शुरू हुआ कि स्वचालन भी सुविधाजनक होना चाहिए, और एक दूसरे के साथ दूरस्थ नोड्स के साथ वितरित स्वचालित प्रणालियों के प्रति रुझान के साथ समाप्त होना चाहिए।

शायद हम कह सकते हैं कि आज ऑटोमेशन सिस्टम के निर्माण के लिए दो बुनियादी अवधारणाएँ हैं: स्वचालित सिस्टम स्थानीयकृत और वितरित।

स्थानीय प्रणालियों के मामले में, जहां डेटा संग्रह और नियंत्रण को एक विशेष स्थान पर केंद्रीकृत किया जाता है, एक आम फास्ट बस द्वारा जुड़े इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल के एक निश्चित सेट की अवधारणा, जिसमें अपने संचार प्रोटोकॉल के साथ एक नियंत्रक भी शामिल है, मांग में है। इसके अलावा, एक नियम के रूप में, इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल में एक सिग्नल कनवर्टर और गैल्वेनिक अलगाव दोनों शामिल हैं (हालांकि, निश्चित रूप से, हमेशा नहीं)। यही है, अंत उपभोक्ता के लिए यह समझने के लिए पर्याप्त है कि स्वचालित प्रणाली में किस प्रकार के सेंसर और तंत्र मौजूद होंगे, विभिन्न प्रकार के संकेतों के लिए आवश्यक इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल की संख्या की गणना करें और उन्हें नियंत्रक के साथ एक आम लाइन में कनेक्ट करें। इस मामले में, एक नियम के रूप में, प्रत्येक निर्माता इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल और नियंत्रक के बीच अपने पसंदीदा संचार प्रोटोकॉल का उपयोग करता है, और बहुत सारे विकल्प हो सकते हैं।

वितरित प्रणालियों के मामले में, स्थानीय प्रणालियों के बारे में कही जाने वाली हर बात सच है, इसके अलावा, यह महत्वपूर्ण है कि व्यक्तिगत घटक, उदाहरण के लिए, इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल का एक सेट और जानकारी एकत्र करने और प्रसारित करने के लिए एक उपकरण, एक बहुत ही स्मार्ट नियंत्रक नहीं है जो बूथ में कहीं स्थित है। क्षेत्र, क्रेन के बगल में जो तेल को अवरुद्ध करता है, एक ही नोड के साथ और एक प्रभावी विनिमय दर के साथ बड़ी दूरी पर मुख्य नियंत्रक के साथ बातचीत कर सकता है।

डेवलपर्स अपनी परियोजना के लिए एक प्रोटोकॉल कैसे चुनते हैं? सभी आधुनिक विनिमय प्रोटोकॉल काफी उच्च गति प्रदान करते हैं, इसलिए अक्सर निर्माता की पसंद इस औद्योगिक बस पर विनिमय दर के कारण नहीं होती है। इतना महत्वपूर्ण नहीं है कि प्रोटोकॉल का कार्यान्वयन स्वयं ही है, क्योंकि, सिस्टम के डेवलपर के दृष्टिकोण से, यह अभी भी एक ब्लैक बॉक्स होगा जो किसी प्रकार की आंतरिक विनिमय संरचना प्रदान करता है और इसे बाहरी हस्तक्षेप के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है। सबसे अधिक बार, वे व्यावहारिक विशेषताओं पर ध्यान देते हैं: कैलकुलेटर का प्रदर्शन, कार्य के लिए निर्माता की अवधारणा को लागू करने की सुविधा, आवश्यक प्रकार की आई / ओ मॉड्यूल की उपस्थिति, बस को तोड़ने के बिना गर्म-स्वैप मॉड्यूल की क्षमता आदि।

लोकप्रिय उपकरण आपूर्तिकर्ता औद्योगिक प्रोटोकॉल के अपने स्वयं के कार्यान्वयन की पेशकश करते हैं: उदाहरण के लिए, प्रसिद्ध सीमेंस कंपनी प्रोफिनेट और प्रोफिबस प्रोटोकॉल, बी एंड आर - पॉवरलिंक प्रोटोकॉल, रॉकवेल ऑटोमेशन - इथरनेट / आईपी प्रोटोकॉल की अपनी श्रृंखला विकसित कर रही है। उदाहरणों की इस सूची में घरेलू समाधान: रूसी कंपनी Fastwel से FBUS प्रोटोकॉल संस्करण।

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