الحافلات والبروتوكولات في الأتمتة الصناعية: كيف يعمل كل شيء

من المؤكد أن الكثير منكم يعرف أو شاهد كيف يتم التحكم في الأجسام الآلية الكبيرة، على سبيل المثال، محطة للطاقة النووية أو مصنع به العديد من خطوط الإنتاج: غالبًا ما يحدث الإجراء الرئيسي في غرفة كبيرة، مع مجموعة من الشاشات والمصابيح الكهربائية وأجهزة التحكم عن بعد. يُطلق على مجمع التحكم هذا عادةً اسم غرفة التحكم الرئيسية - لوحة التحكم الرئيسية لمراقبة منشأة الإنتاج.

من المؤكد أنك تساءلت عن كيفية عمل كل شيء من حيث الأجهزة والبرامج، وكيف تختلف هذه الأنظمة عن أجهزة الكمبيوتر الشخصية التقليدية. في هذه المقالة، سننظر في كيفية وصول البيانات المختلفة إلى غرفة التحكم الرئيسية، وكيفية إرسال الأوامر إلى المعدات، وما هو مطلوب بشكل عام للتحكم في محطة الضاغط، أو مصنع إنتاج البروبان، أو خط تجميع السيارات، أو حتى محطة ضخ الصرف الصحي.

أدنى مستوى أو ناقل المجال هو المكان الذي يبدأ فيه كل شيء

يتم استخدام هذه المجموعة من الكلمات، غير الواضحة للمبتدئين، عندما يكون من الضروري وصف وسائل الاتصال بين وحدات التحكم الدقيقة والمعدات التابعة، على سبيل المثال، وحدات الإدخال / الإخراج أو أجهزة القياس. عادةً ما تسمى قناة الاتصال هذه "ناقل المجال" لأنها مسؤولة عن نقل البيانات التي تأتي من "الحقل" إلى وحدة التحكم.

"الميدان" هو مصطلح احترافي عميق يشير إلى حقيقة أن بعض المعدات (على سبيل المثال، أجهزة الاستشعار أو المحركات) التي يتفاعل معها جهاز التحكم موجودة في مكان ما بعيد جدًا، في الشارع، في الحقول، تحت جنح الليل . ولا يهم أنه يمكن وضع المستشعر على بعد نصف متر من وحدة التحكم وقياس درجة الحرارة، على سبيل المثال، في خزانة الأتمتة، فلا يزال يعتبر أنه "في الميدان". في أغلب الأحيان، تستمر الإشارات الصادرة من أجهزة الاستشعار التي تصل إلى وحدات الإدخال/الإخراج في السفر لمسافات تتراوح من عشرات إلى مئات الأمتار (وأحيانًا أكثر)، لتجمع المعلومات من المواقع أو المعدات البعيدة. في الواقع، هذا هو السبب في أن ناقل التبادل، الذي تتلقى وحدة التحكم من خلاله القيم من هذه المستشعرات نفسها، يُطلق عليه عادةً اسم ناقل المجال أو، بشكل أقل شيوعًا، ناقل المستوى الأدنى أو الناقل الصناعي.

المخطط العام لأتمتة منشأة صناعية

لذلك، تنتقل الإشارة الكهربائية من المستشعر مسافة معينة على طول خطوط الكابلات (عادة عبر كابل نحاسي عادي مع عدد معين من النوى)، والتي يتم توصيل العديد من أجهزة الاستشعار بها. تدخل الإشارة بعد ذلك إلى وحدة المعالجة (وحدة الإدخال/الإخراج)، حيث يتم تحويلها إلى لغة رقمية مفهومة لوحدة التحكم. بعد ذلك، تنتقل هذه الإشارة عبر ناقل المجال مباشرة إلى وحدة التحكم، حيث تتم معالجتها أخيرًا. وبناء على هذه الإشارات، يتم بناء منطق تشغيل وحدة التحكم الدقيقة نفسها.

المستوى الأعلى: من الإكليل إلى محطة العمل بأكملها

يُطلق على المستوى العلوي اسم كل ما يمكن أن يلمسه عامل بشري عادي يتحكم في العملية التكنولوجية. في أبسط الحالات، المستوى العلوي عبارة عن مجموعة من الأضواء والأزرار. تشير المصابيح الكهربائية إلى المشغل حول أحداث معينة تحدث في النظام، ويتم استخدام الأزرار لإصدار الأوامر إلى وحدة التحكم. يُطلق على هذا النظام غالبًا اسم "إكليل" أو "شجرة عيد الميلاد" لأنه يبدو مشابهًا جدًا (كما ترون من الصورة في بداية المقال).

إذا كان المشغل أكثر حظًا، فسيحصل على لوحة تشغيل في المستوى الأعلى - وهو نوع من أجهزة الكمبيوتر المسطحة التي تتلقى بطريقة أو بأخرى البيانات للعرض من وحدة التحكم وتعرضها على الشاشة. عادةً ما يتم تثبيت هذه اللوحة على خزانة الأتمتة نفسها، لذلك يتعين عليك عادةً التفاعل معها أثناء الوقوف، مما يسبب الإزعاج، بالإضافة إلى أن جودة الصورة وحجمها على اللوحات صغيرة الحجم تترك الكثير مما هو مرغوب فيه.

وأخيرا، جاذبية الكرم غير المسبوق - محطة عمل (أو حتى عدة نسخ)، وهو جهاز كمبيوتر شخصي عادي.

يجب أن تتفاعل معدات المستوى الأعلى بطريقة ما مع وحدة التحكم الدقيقة (وإلا لماذا هناك حاجة إليها؟). لمثل هذا التفاعل، يتم استخدام بروتوكولات المستوى الأعلى ووسيلة نقل معينة، على سبيل المثال، Ethernet أو UART. في حالة "شجرة عيد الميلاد"، فإن مثل هذه التعقيدات، بالطبع، ليست ضرورية، يتم إضاءة المصابيح الكهربائية باستخدام خطوط مادية عادية، ولا توجد واجهات أو بروتوكولات معقدة هناك.

بشكل عام، هذا المستوى العلوي أقل إثارة للاهتمام من ناقل المجال، نظرًا لأن هذا المستوى العلوي قد لا يكون موجودًا على الإطلاق (لا يوجد شيء يمكن للمشغل أن ينظر إليه من السلسلة؛ ستكتشف وحدة التحكم نفسها ما يجب القيام به وكيف) ).

بروتوكولات نقل البيانات "القديمة": Modbus وHART

قليل من الناس يعرفون، ولكن في اليوم السابع من خلق العالم، لم يرتاح الله، بل خلق مودبوس. إلى جانب بروتوكول هارت، ربما يكون Modbus هو أقدم بروتوكول لنقل البيانات الصناعية، حيث ظهر في عام 1979.

تم استخدام الواجهة التسلسلية في البداية كوسيلة نقل، ثم تم تطبيق Modbus عبر TCP/IP. هذا هو بروتوكول السيد والعبد المتزامن (السيد والعبد) الذي يستخدم مبدأ الاستجابة للطلب. البروتوكول مرهق وبطيء للغاية، وتعتمد سرعة التبادل على خصائص جهاز الاستقبال والمرسل، ولكن عادةً ما يصل العدد إلى مئات المللي ثانية تقريبًا، خاصة عند تنفيذه عبر واجهة تسلسلية.

علاوة على ذلك، فإن سجل نقل بيانات Modbus هو 16 بت، والذي يفرض على الفور قيودًا على نقل الأنواع الحقيقية والمزدوجة. يتم إرسالها إما في أجزاء أو مع فقدان الدقة. على الرغم من أن Modbus لا يزال يستخدم على نطاق واسع في الحالات التي لا تكون فيها هناك حاجة إلى سرعات اتصال عالية ولا يكون فقدان البيانات المرسلة أمرًا بالغ الأهمية. يرغب العديد من الشركات المصنعة للأجهزة المختلفة في توسيع بروتوكول Modbus بطريقتهم الحصرية والأصلية للغاية، مع إضافة وظائف غير قياسية. لذلك، يحتوي هذا البروتوكول على العديد من الطفرات والانحرافات عن القاعدة، لكنه لا يزال يعيش بنجاح في العالم الحديث.
كان بروتوكول HART موجودًا أيضًا منذ الثمانينيات، وهو عبارة عن بروتوكول اتصالات صناعية عبر خط حلقة تيار مكون من سلكين يربط مباشرة أجهزة استشعار 4-20 مللي أمبير والأجهزة الأخرى التي تدعم HART.

لتبديل خطوط HART، يتم استخدام أجهزة خاصة تسمى مودم HART. هناك أيضًا محولات تزود المستخدم ببروتوكول Modbus عند الإخراج على سبيل المثال.

ربما يكون هارت ملحوظًا لأنه بالإضافة إلى الإشارات التناظرية لأجهزة استشعار 4-20 مللي أمبير، يتم أيضًا نقل الإشارة الرقمية 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 توصيلها عبر البلوتوث، أو بالطريقة القديمة عبر منفذ تسلسلي. منذ اثنتي عشرة سنة، عن طريق القياس مع شبكة Wi-Fi، ظهر معيار WirelessHART اللاسلكي الذي يعمل في نطاق ISM.

الجيل الثاني من البروتوكولات أو ليس الحافلات الصناعية تمامًا ISA وPCI(e) وVME

تم استبدال بروتوكولي Modbus وHART بحافلات ليست صناعية تمامًا، مثل ISA (MicroPC, PC/104) أو PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC)، بالإضافة إلى VME.

لقد حان عصر أجهزة الكمبيوتر التي تحتوي على ناقل بيانات عالمي، حيث يمكن توصيل لوحات (وحدات) مختلفة لمعالجة إشارة موحدة معينة. كقاعدة عامة، في هذه الحالة، يتم إدراج وحدة المعالج (الكمبيوتر) في الإطار المزعوم، والذي يضمن التفاعل عبر الناقل مع الأجهزة الأخرى. يتم استكمال الإطار، أو كما يحب خبراء الأتمتة الحقيقيون تسميته، "الصندوق"، بلوحات الإدخال والإخراج الضرورية: التناظرية، المنفصلة، ​​الواجهة، وما إلى ذلك، أو يتم تجميع كل هذا معًا في شكل شطيرة بدون الإطار - لوحة واحدة فوق الأخرى. بعد ذلك، يقوم هذا التنوع الموجود على الناقل (ISA، PCI، وما إلى ذلك) بتبادل البيانات مع وحدة المعالج، والتي تتلقى بالتالي معلومات من أجهزة الاستشعار وتنفذ بعض المنطق.

وحدات التحكم والإدخال/الإخراج في إطار PXI على ناقل PCI. مصدر: شركة الصكوك الوطنية

سيكون كل شيء على ما يرام مع ناقلات ISA وPCI(e) وVME، خاصة في تلك الأوقات: سرعة التبادل ليست مخيبة للآمال، وتقع مكونات النظام في إطار واحد، مدمج ومريح، وقد لا يكون هناك قابل للتبديل السريع بطاقات الإدخال/الإخراج، لكني لا أريد فعل ذلك بعد.

ولكن هناك ذبابة في المرهم، وأكثر من واحدة. من الصعب جدًا إنشاء نظام موزع بمثل هذا التكوين، فناقل التبادل محلي، وتحتاج إلى التوصل إلى شيء لتبادل البيانات مع العقد التابعة أو النظيرة الأخرى، نفس Modbus عبر TCP/IP أو بعض البروتوكولات الأخرى، بشكل عام، ليس هناك ما يكفي من وسائل الراحة. حسنًا، الشيء الثاني ليس ممتعًا للغاية: عادةً ما تتوقع لوحات الإدخال/الإخراج نوعًا من الإشارة الموحدة كمدخل، ولا تحتوي على عزل كلفاني عن المعدات الميدانية، لذلك تحتاج إلى إنشاء سياج من وحدات التحويل المختلفة والدوائر الوسيطة، مما يعقد بشكل كبير قاعدة العنصر.

وحدات تحويل الإشارة المتوسطة مع عزل كلفاني. مصدر: شركة داتا فورث

"ماذا عن بروتوكول الحافلات الصناعية؟" - أنت تسأل. لا شئ. لا وجود له في هذا التنفيذ. من خلال خطوط الكابلات، تنتقل الإشارة من أجهزة الاستشعار إلى محولات الإشارة، وتقوم المحولات بتزويد الجهد إلى لوحة إدخال/إخراج منفصلة أو تناظرية، وتتم قراءة البيانات من اللوحة بالفعل من خلال منافذ الإدخال/الإخراج باستخدام نظام التشغيل. ولا توجد بروتوكولات متخصصة.

كيف تعمل الحافلات والبروتوكولات الصناعية 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 ملائمة أيضًا، وانتهاءً بالاتجاه نحو الأنظمة الآلية الموزعة ذات العقد البعيدة عن بعضها البعض.

ربما يمكننا القول أن هناك مفهومين رئيسيين لبناء أنظمة الأتمتة اليوم: الأنظمة الآلية المحلية والموزعة.

في حالة الأنظمة المحلية، حيث يتم مركزية جمع البيانات والتحكم فيها في موقع واحد محدد، فإن مفهوم مجموعة معينة من وحدات الإدخال/الإخراج المترابطة بواسطة ناقل سريع مشترك، بما في ذلك وحدة التحكم مع بروتوكول التبادل الخاص بها، يكون مطلوبًا. في هذه الحالة، كقاعدة عامة، تشتمل وحدات الإدخال/الإخراج على محول إشارة وعزل كلفاني (على الرغم من أنه ليس دائمًا بالطبع). وهذا يعني أنه يكفي أن يفهم المستخدم النهائي أنواع أجهزة الاستشعار والآليات التي ستكون موجودة في النظام الآلي، وأن يحسب عدد وحدات الإدخال/الإخراج المطلوبة لأنواع مختلفة من الإشارات وتوصيلها في خط مشترك واحد مع وحدة التحكم. . في هذه الحالة، كقاعدة عامة، يستخدم كل مصنع بروتوكول التبادل المفضل لديه بين وحدات الإدخال/الإخراج ووحدة التحكم، ويمكن أن يكون هناك الكثير من الخيارات هنا.

في حالة الأنظمة الموزعة، كل ما يقال فيما يتعلق بالأنظمة المحلية صحيح، بالإضافة إلى ذلك، من المهم أن المكونات الفردية، على سبيل المثال، مجموعة من وحدات الإدخال والإخراج بالإضافة إلى جهاز لجمع ونقل المعلومات - لا يمكن لوحدة التحكم الدقيقة الذكية جدًا الموجودة في مكان ما في كشك في الحقل، بجوار الصمام الذي يغلق الزيت، أن تتفاعل مع نفس العقد ومع وحدة التحكم الرئيسية على مسافة كبيرة وبسعر صرف فعال.

كيف يختار المطورون بروتوكولًا لمشروعهم؟ توفر جميع بروتوكولات التبادل الحديثة أداءً عاليًا إلى حد ما، لذلك لا يتم تحديد اختيار شركة مصنعة معينة في كثير من الأحيان من خلال سعر الصرف في هذه الحافلة الصناعية ذاتها. إن تنفيذ البروتوكول نفسه ليس مهمًا جدًا، لأنه من وجهة نظر مطور النظام، سيظل صندوقًا أسود يوفر بنية معينة للتبادل الداخلي وغير مصمم للتدخل الخارجي. في أغلب الأحيان، يتم الاهتمام بالخصائص العملية: أداء الكمبيوتر، وسهولة تطبيق مفهوم الشركة المصنعة على المهمة المطروحة، وتوافر الأنواع المطلوبة من وحدات الإدخال/الإخراج، والقدرة على وحدات قابلة للتبديل السريع دون انقطاع الحافلة، الخ.

يقدم موردو المعدات المشهورون تطبيقاتهم الخاصة للبروتوكولات الصناعية: على سبيل المثال، تقوم شركة Siemens المعروفة بتطوير سلسلتها من بروتوكولات Profinet وProfibus، وتقوم شركة B&R بتطوير بروتوكول Powerlink، وتقوم شركة Rockwell Automation بتطوير بروتوكول EtherNet/IP. الحل المحلي في قائمة الأمثلة هذه: نسخة من بروتوكول FBUS من شركة Fastwel الروسية.

هناك أيضًا حلول أكثر عالمية غير مرتبطة بشركة مصنعة معينة، مثل EtherCAT وCAN. سنقوم بتحليل هذه البروتوكولات بالتفصيل في استمرار المقال ومعرفة أي منها أكثر ملاءمة لتطبيقات محددة: صناعات السيارات والفضاء، وتصنيع الإلكترونيات، وأنظمة تحديد المواقع والروبوتات. ابق على تواصل!

المصدر: www.habr.com