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

निश्चित रूप से आप में से बहुत से लोग जानते हैं या आपने देखा भी है कि बड़ी स्वचालित वस्तुओं को कैसे नियंत्रित किया जाता है, उदाहरण के लिए, एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र या कई उत्पादन लाइनों वाली एक फैक्ट्री: मुख्य कार्रवाई अक्सर एक बड़े कमरे में होती है, जिसमें स्क्रीन, प्रकाश बल्बों का एक समूह होता है। और रिमोट कंट्रोल। 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 होंगे कि यह सब हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर के संदर्भ में कैसे काम करता है, ये सिस्टम पारंपरिक पर्सनल कंप्यूटर से कैसे भिन्न हैं। इस लेख में, हम देखेंगे कि विभिन्न डेटा मुख्य नियंत्रण कक्ष तक कैसे पहुंचते हैं, उपकरण को कमांड कैसे भेजे जाते हैं, और कंप्रेसर स्टेशन, प्रोपेन उत्पादन संयंत्र, कार असेंबली लाइन, या यहां तक ​​​​कि एक को नियंत्रित करने के लिए आम तौर पर क्या आवश्यक है सीवर पम्पिंग प्लांट.

सबसे निचला स्तर या फ़ील्डबस वह है जहाँ से यह सब शुरू होता है

शब्दों का यह सेट, जो शुरुआती लोगों के लिए अस्पष्ट है, का उपयोग तब किया जाता है जब माइक्रोकंट्रोलर्स और अधीनस्थ उपकरणों के बीच संचार के साधनों का वर्णन करना आवश्यक होता है, उदाहरण के लिए, I/O मॉड्यूल या मापने वाले उपकरण। आमतौर पर इस संचार चैनल को "फ़ील्ड बस" कहा जाता है क्योंकि यह "फ़ील्ड" से नियंत्रक तक आने वाले डेटा को प्रसारित करने के लिए ज़िम्मेदार है।

"फ़ील्ड" एक गहरा पेशेवर शब्द है जो इस तथ्य को संदर्भित करता है कि कुछ उपकरण (उदाहरण के लिए, सेंसर या एक्चुएटर) जिनके साथ नियंत्रक इंटरैक्ट करता है, कहीं दूर, सड़क पर, खेतों में, रात की आड़ में स्थित होते हैं . और इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि सेंसर नियंत्रक से आधा मीटर की दूरी पर स्थित हो सकता है और स्वचालन कैबिनेट में तापमान को माप सकता है, फिर भी यह माना जाता है कि यह "क्षेत्र में" है। अक्सर, I/O मॉड्यूल पर पहुंचने वाले सेंसर से सिग्नल अभी भी दूरस्थ साइटों या उपकरणों से जानकारी एकत्र करते हुए दसियों से सैकड़ों मीटर (और कभी-कभी अधिक) तक की दूरी तय करते हैं। दरअसल, इसीलिए एक्सचेंज बस, जिसके माध्यम से नियंत्रक इन्हीं सेंसरों से मूल्य प्राप्त करता है, को आमतौर पर फील्ड बस या, कम सामान्यतः, निचले स्तर की बस या औद्योगिक बस कहा जाता है।

एक औद्योगिक सुविधा के स्वचालन की सामान्य योजना

तो, सेंसर से विद्युत संकेत केबल लाइनों (आमतौर पर एक निश्चित संख्या में कोर के साथ एक नियमित तांबे के केबल के साथ) के साथ एक निश्चित दूरी तय करता है, जिससे कई सेंसर जुड़े होते हैं। सिग्नल फिर प्रोसेसिंग मॉड्यूल (इनपुट/आउटपुट मॉड्यूल) में प्रवेश करता है, जहां इसे नियंत्रक को समझने योग्य डिजिटल भाषा में परिवर्तित किया जाता है। इसके बाद, फ़ील्ड बस के माध्यम से यह सिग्नल सीधे नियंत्रक के पास जाता है, जहां इसे अंततः संसाधित किया जाता है। ऐसे संकेतों के आधार पर, माइक्रोकंट्रोलर का ऑपरेटिंग लॉजिक स्वयं बनाया जाता है।

शीर्ष स्तर: एक माला से लेकर संपूर्ण कार्य केंद्र तक

ऊपरी स्तर वह सब कुछ है जिसे तकनीकी प्रक्रिया को नियंत्रित करने वाले एक साधारण नश्वर ऑपरेटर द्वारा छुआ जा सकता है। सबसे सरल मामले में, शीर्ष स्तर रोशनी और बटन का एक सेट है। लाइट बल्ब ऑपरेटर को सिस्टम में होने वाली कुछ घटनाओं के बारे में संकेत देते हैं, बटन का उपयोग नियंत्रक को आदेश जारी करने के लिए किया जाता है। इस 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 शीर्ष स्तर के रूप में उसे एक ऑपरेटर पैनल मिलेगा - एक प्रकार का फ्लैट-पैनल कंप्यूटर जो एक या दूसरे तरीके से नियंत्रक से प्रदर्शन के लिए डेटा प्राप्त करता है और इसे स्क्रीन पर प्रदर्शित करता है। ऐसा पैनल आमतौर पर ऑटोमेशन कैबिनेट पर ही लगाया जाता है, इसलिए आपको आमतौर पर खड़े होकर इसके साथ बातचीत करनी पड़ती है, जिससे असुविधा होती है, साथ ही छोटे प्रारूप वाले पैनल पर छवि की गुणवत्ता और आकार वांछित नहीं होता है।

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

ऊपरी स्तर के उपकरण को माइक्रोकंट्रोलर के साथ किसी तरह से इंटरैक्ट करना चाहिए (अन्यथा इसकी आवश्यकता क्यों है?)। इस तरह की बातचीत के लिए, ऊपरी स्तर के प्रोटोकॉल और एक निश्चित ट्रांसमिशन माध्यम का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, ईथरनेट या यूएआरटी। "क्रिसमस ट्री" के मामले में, निश्चित रूप से, ऐसे परिष्कार आवश्यक नहीं हैं; प्रकाश बल्ब सामान्य भौतिक रेखाओं का उपयोग करके जलाए जाते हैं, वहां कोई परिष्कृत इंटरफेस या प्रोटोकॉल नहीं हैं।

सामान्य तौर पर, यह ऊपरी स्तर फ़ील्ड बस की तुलना में कम दिलचस्प है, क्योंकि यह ऊपरी स्तर बिल्कुल भी मौजूद नहीं हो सकता है (श्रृंखला से ऑपरेटर को देखने के लिए कुछ भी नहीं है; नियंत्रक स्वयं ही पता लगाएगा कि क्या करने की आवश्यकता है और कैसे ).

"प्राचीन" डेटा ट्रांसफर प्रोटोकॉल: मोडबस और हार्ट

कम ही लोग जानते हैं, लेकिन दुनिया की रचना के सातवें दिन भगवान ने आराम नहीं किया, बल्कि मोडबस की रचना की। HART प्रोटोकॉल के साथ, मॉडबस शायद सबसे पुराना औद्योगिक डेटा ट्रांसफर प्रोटोकॉल है; यह 1979 में सामने आया।

सीरियल इंटरफ़ेस को शुरू में ट्रांसमिशन माध्यम के रूप में उपयोग किया गया था, फिर मॉडबस को टीसीपी/आईपी पर लागू किया गया था। यह एक सिंक्रोनस मास्टर-स्लेव (मास्टर-स्लेव) प्रोटोकॉल है जो अनुरोध-प्रतिक्रिया सिद्धांत का उपयोग करता है। प्रोटोकॉल काफी बोझिल और धीमा है, विनिमय की गति रिसीवर और ट्रांसमीटर की विशेषताओं पर निर्भर करती है, लेकिन आमतौर पर गिनती लगभग सैकड़ों मिलीसेकंड होती है, खासकर जब एक सीरियल इंटरफ़ेस के माध्यम से कार्यान्वित की जाती है।

इसके अलावा, मोडबस डेटा ट्रांसफर रजिस्टर 16-बिट है, जो वास्तविक और दोहरे प्रकार के ट्रांसफर पर तुरंत प्रतिबंध लगाता है। वे या तो भागों में या सटीकता की हानि के साथ प्रसारित होते हैं। हालाँकि मॉडबस का उपयोग अभी भी उन मामलों में व्यापक रूप से किया जाता है जहां उच्च संचार गति की आवश्यकता नहीं होती है और प्रेषित डेटा का नुकसान महत्वपूर्ण नहीं है। विभिन्न उपकरणों के कई निर्माता गैर-मानक कार्यों को जोड़कर मॉडबस प्रोटोकॉल को अपने विशिष्ट और बहुत ही मूल तरीके से विस्तारित करना पसंद करते हैं। इसलिए, इस प्रोटोकॉल में मानक से कई उत्परिवर्तन और विचलन हैं, लेकिन फिर भी यह आधुनिक दुनिया में सफलतापूर्वक रहता है।
HART प्रोटोकॉल भी अस्सी के दशक के आसपास रहा है, यह दो-तार वर्तमान लूप लाइन पर एक औद्योगिक संचार प्रोटोकॉल है जो सीधे 4-20 mA सेंसर और अन्य HART-सक्षम उपकरणों को जोड़ता है।

HART लाइनों को स्विच करने के लिए, विशेष उपकरणों, तथाकथित HART मॉडेम का उपयोग किया जाता है। ऐसे कनवर्टर भी हैं जो उपयोगकर्ता को आउटपुट पर मॉडबस प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं।

HART शायद इस तथ्य के लिए उल्लेखनीय है कि 4-20 mA सेंसर के एनालॉग सिग्नल के अलावा, प्रोटोकॉल का डिजिटल सिग्नल भी सर्किट में प्रसारित होता है, यह आपको डिजिटल और एनालॉग भागों को एक केबल लाइन में कनेक्ट करने की अनुमति देता है। आधुनिक HART मॉडेम को नियंत्रक के USB पोर्ट से, ब्लूटूथ के माध्यम से, या पुराने जमाने के तरीके से सीरियल पोर्ट के माध्यम से जोड़ा जा सकता है। एक दर्जन साल पहले, वाई-फाई के अनुरूप, आईएसएम रेंज में काम करने वाला वायरलेसहार्ट वायरलेस मानक सामने आया।

प्रोटोकॉल की दूसरी पीढ़ी या बिल्कुल औद्योगिक बसें ISA, PCI(e) और VME नहीं

मॉडबस और एचएआरटी प्रोटोकॉल को आईएसए (माइक्रोपीसी, पीसी/104) या पीसीआई/पीसीआईई (कॉम्पैक्टपीसीआई, कॉम्पैक्टपीसीआई सीरियल, स्टैकपीसी), साथ ही वीएमई जैसी औद्योगिक बसों द्वारा प्रतिस्थापित नहीं किया गया है।

कंप्यूटरों का युग आ गया है जिनके पास एक सार्वभौमिक डेटा बस है, जहां एक निश्चित एकीकृत सिग्नल को संसाधित करने के लिए विभिन्न बोर्ड (मॉड्यूल) को जोड़ा जा सकता है। एक नियम के रूप में, इस मामले में, प्रोसेसर मॉड्यूल (कंप्यूटर) को तथाकथित फ्रेम में डाला जाता है, जो अन्य उपकरणों के साथ बस के माध्यम से बातचीत सुनिश्चित करता है। फ़्रेम, या, जैसा कि सच्चे स्वचालन विशेषज्ञ इसे "टोकरा" कहना पसंद करते हैं, को आवश्यक I/O बोर्डों के साथ पूरक किया जाता है: एनालॉग, असतत, इंटरफ़ेस, आदि, या यह सब बिना किसी सैंडविच के रूप में एक साथ रखा जाता है। एक फ्रेम - एक बोर्ड दूसरे के ऊपर। उसके बाद, बस पर यह विविधता (आईएसए, पीसीआई, आदि) प्रोसेसर मॉड्यूल के साथ डेटा का आदान-प्रदान करती है, जो इस प्रकार सेंसर से जानकारी प्राप्त करती है और कुछ तर्क लागू करती है।

पीसीआई बस पर पीएक्सआई फ्रेम में नियंत्रक और आई/ओ मॉड्यूल। स्रोत: राष्ट्रीय उपकरण निगम

इन आईएसए, पीसीआई (ई) और वीएमई बसों के साथ सब कुछ ठीक होगा, खासकर उस समय के लिए: विनिमय गति निराशाजनक नहीं है, और सिस्टम घटक एक ही फ्रेम में स्थित हैं, कॉम्पैक्ट और सुविधाजनक हैं, हॉट-स्वैपेबल नहीं हो सकते हैं I/O कार्ड, लेकिन मैं वास्तव में अभी तक ऐसा नहीं करना चाहता।

लेकिन मरहम में एक मक्खी है, और एक से अधिक। इस तरह के कॉन्फ़िगरेशन में एक वितरित सिस्टम बनाना काफी मुश्किल है, एक्सचेंज बस स्थानीय है, आपको अन्य स्लेव या पीयर नोड्स के साथ डेटा का आदान-प्रदान करने के लिए कुछ के साथ आने की जरूरत है, टीसीपी/आईपी या किसी अन्य प्रोटोकॉल पर समान मोडबस। सामान्य तौर पर, पर्याप्त सुविधाएं नहीं हैं। खैर, दूसरी बहुत सुखद बात नहीं है: I/O बोर्ड आमतौर पर इनपुट के रूप में किसी प्रकार के एकीकृत सिग्नल की अपेक्षा करते हैं, और उनके पास फ़ील्ड उपकरण से गैल्वेनिक अलगाव नहीं होता है, इसलिए आपको विभिन्न रूपांतरण मॉड्यूल और मध्यवर्ती सर्किटरी से बाड़ बनाने की आवश्यकता होती है, जो तत्व आधार को बहुत जटिल बनाता है।

गैल्वेनिक अलगाव के साथ इंटरमीडिएट सिग्नल रूपांतरण मॉड्यूल। स्रोत: डेटाफोर्थ कॉर्पोरेशन

"औद्योगिक बस प्रोटोकॉल के बारे में क्या?" - आप पूछना। कुछ नहीं। यह इस कार्यान्वयन में मौजूद नहीं है. केबल लाइनों के माध्यम से, सिग्नल सेंसर से सिग्नल कनवर्टर तक जाता है, कनवर्टर एक अलग या एनालॉग I/O बोर्ड को वोल्टेज की आपूर्ति करता है, और बोर्ड से डेटा पहले से ही ओएस का उपयोग करके I/O पोर्ट के माध्यम से पढ़ा जाता है। और कोई विशेष प्रोटोकॉल नहीं.

आधुनिक औद्योगिक बसें और प्रोटोकॉल कैसे काम करते हैं

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

शायद हम कह सकते हैं कि आज स्वचालन प्रणालियों के निर्माण के लिए दो मुख्य अवधारणाएँ हैं: स्थानीयकृत और वितरित स्वचालित प्रणालियाँ।

स्थानीयकृत प्रणालियों के मामले में, जहां डेटा संग्रह और नियंत्रण एक विशिष्ट स्थान पर केंद्रीकृत होता है, एक सामान्य फास्ट बस द्वारा परस्पर जुड़े इनपुट/आउटपुट मॉड्यूल के एक निश्चित सेट की अवधारणा, जिसमें अपने स्वयं के विनिमय प्रोटोकॉल के साथ एक नियंत्रक भी शामिल है, मांग में है। इस मामले में, एक नियम के रूप में, I/O मॉड्यूल में सिग्नल कनवर्टर और गैल्वेनिक अलगाव दोनों शामिल होते हैं (हालांकि, निश्चित रूप से, हमेशा नहीं)। अर्थात्, अंतिम उपयोगकर्ता के लिए यह समझना 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 सामान्य लाइन में कनेक्ट करें। . इस मामले में, एक नियम के रूप में, प्रत्येक निर्माता I/O मॉड्यूल और नियंत्रक के बीच अपने पसंदीदा एक्सचेंज प्रोटोकॉल का उपयोग करता है, और यहां बहुत सारे विकल्प हो सकते हैं।

वितरित प्रणालियों के मामले में, स्थानीयकृत प्रणालियों के संबंध में जो कुछ भी कहा गया है वह 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 नहीं बहुत ही स्मार्ट माइक्रोकंट्रोलर जो कि मैदान में एक बूथ में कहीं खड़ा होता है, वाल्व के बगल में जो तेल को बंद कर देता है - एक प्रभावी विनिमय दर के साथ समान नोड्स और मुख्य नियंत्रक के साथ बड़ी दूरी पर बातचीत कर सकता है।

डेवलपर्स अपने प्रोजेक्ट के लिए प्रोटोकॉल कैसे चुनते हैं? सभी आधुनिक एक्सचेंज प्रोटोकॉल काफी उच्च प्रदर्शन प्रदान करते हैं, इसलिए एक या दूसरे निर्माता की पसंद अक्सर इसी औद्योगिक बस पर विनिमय दर से निर्धारित नहीं होती है। प्रोटोकॉल का कार्यान्वयन स्वयं इतना महत्वपूर्ण नहीं है, क्योंकि सिस्टम डेवलपर के दृष्टिकोण से, यह अभी भी एक ब्लैक बॉक्स होगा जो एक निश्चित आंतरिक विनिमय संरचना प्रदान करता है और बाहरी हस्तक्षेप के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है। अक्सर, व्यावहारिक विशेषताओं पर ध्यान दिया जाता है: कंप्यूटर का प्रदर्शन, निर्माता की अवधारणा को काम में लागू करने में आसानी, आवश्यक प्रकार के I/O मॉड्यूल की उपलब्धता, बिना टूटे हॉट-स्वैपेबल मॉड्यूल की क्षमता। बस, आदि

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

ऐसे और भी सार्वभौमिक समाधान हैं जो किसी विशिष्ट निर्माता से बंधे नहीं हैं, जैसे कि EtherCAT और CAN। हम लेख की निरंतरता में इन प्रोटोकॉल का विस्तार से विश्लेषण करेंगे और पता लगाएंगे कि उनमें से कौन सा विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए बेहतर अनुकूल है: ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस उद्योग, इलेक्ट्रॉनिक्स विनिर्माण, पोजिशनिंग सिस्टम और रोबोटिक्स। संपर्क में रहना!

स्रोत: www.habr.com