औद्योगिक ऑटोमेशनमधील बस आणि प्रोटोकॉल: हे सर्व कसे कार्य करते

तुमच्यापैकी बर्‍याच जणांना नक्कीच माहित आहे किंवा मोठ्या स्वयंचलित वस्तू कशा नियंत्रित केल्या जातात हे देखील पाहिले आहे, उदाहरणार्थ, अणुऊर्जा प्रकल्प किंवा अनेक उत्पादन लाइन असलेला कारखाना: मुख्य क्रिया बहुतेकदा मोठ्या खोलीत होते, ज्यामध्ये स्क्रीन, लाइट बल्ब असतात. आणि रिमोट कंट्रोल्स. या कंट्रोल कॉम्प्लेक्सला सामान्यतः मुख्य नियंत्रण कक्ष म्हणतात - उत्पादन सुविधेचे निरीक्षण करण्यासाठी मुख्य नियंत्रण पॅनेल.

हार्डवेअर आणि सॉफ्टवेअरच्या बाबतीत हे सर्व कसे कार्य करते, या प्रणाली पारंपारिक वैयक्तिक संगणकांपेक्षा कशा वेगळ्या आहेत याबद्दल तुम्हाला नक्कीच आश्चर्य वाटले असेल. या लेखात, आम्ही मुख्य नियंत्रण कक्षात विविध डेटा कसा पोहोचतो, उपकरणांना आदेश कसे पाठवले जातात आणि कंप्रेसर स्टेशन, प्रोपेन उत्पादन संयंत्र, कार असेंबली लाइन किंवा अगदी एखादे नियंत्रण करण्यासाठी सामान्यत: काय आवश्यक आहे ते पाहू. सीवर पंपिंग प्लांट.

सर्वात खालची पातळी किंवा फील्डबस हे सर्व जिथे सुरू होते

शब्दांचा हा संच, जो सुरू न केलेल्यासाठी अस्पष्ट आहे, जेव्हा मायक्रोकंट्रोलर आणि गौण उपकरणे यांच्यातील संप्रेषणाच्या साधनांचे वर्णन करणे आवश्यक असते तेव्हा वापरले जाते, उदाहरणार्थ, I/O मॉड्यूल्स किंवा मापन उपकरणे. सामान्यत: या संप्रेषण चॅनेलला "फील्ड बस" म्हटले जाते कारण ते "फील्ड" मधून कंट्रोलरकडे येणारा डेटा प्रसारित करण्यासाठी जबाबदार असते.

“फील्ड” ही एक सखोल व्यावसायिक संज्ञा आहे जी काही उपकरणे (उदाहरणार्थ, सेन्सर किंवा अ‍ॅक्ट्युएटर) ज्यांच्याशी कंट्रोलर संवाद साधतो ते कुठेतरी दूर, दूर, रस्त्यावर, शेतात, रात्रीच्या आच्छादनाखाली स्थित आहे या वस्तुस्थितीचा संदर्भ देते. . आणि हे काही फरक पडत नाही की सेन्सर कंट्रोलरपासून अर्ध्या मीटरवर स्थित असू शकतो आणि ऑटोमेशन कॅबिनेटमधील तापमान मोजू शकतो, तरीही ते "फील्डमध्ये" असल्याचे मानले जाते. बर्‍याचदा, I/O मॉड्युलवर येणारे सेन्सरचे सिग्नल अजूनही दहा ते शेकडो मीटर (आणि काहीवेळा अधिक) अंतर प्रवास करतात, दूरस्थ साइट्स किंवा उपकरणांमधून माहिती गोळा करतात. वास्तविक, म्हणूनच एक्सचेंज बस, ज्याद्वारे कंट्रोलरला याच सेन्सर्समधून मूल्ये प्राप्त होतात, तिला सामान्यतः फील्ड बस किंवा कमी सामान्यतः, निम्न-स्तरीय बस किंवा औद्योगिक बस म्हणतात.

औद्योगिक सुविधेच्या ऑटोमेशनची सामान्य योजना

तर, सेन्सरचे इलेक्ट्रिकल सिग्नल केबल लाईन्स (सामान्यत: कॉपरच्या विशिष्ट संख्येसह नियमित कॉपर केबलसह) एक विशिष्ट अंतर प्रवास करते, ज्याला अनेक सेन्सर जोडलेले असतात. सिग्नल नंतर प्रोसेसिंग मॉड्यूल (इनपुट/आउटपुट मॉड्यूल) मध्ये प्रवेश करतो, जिथे ते कंट्रोलरला समजण्यायोग्य डिजिटल भाषेत रूपांतरित केले जाते. पुढे, फील्ड बसमार्गे हा सिग्नल थेट कंट्रोलरकडे जातो, जिथे शेवटी प्रक्रिया केली जाते. अशा सिग्नलवर आधारित, मायक्रोकंट्रोलरचे ऑपरेटिंग लॉजिक स्वतः तयार केले जाते.

शीर्ष स्तर: माला पासून संपूर्ण वर्कस्टेशन पर्यंत

तांत्रिक प्रक्रियेवर नियंत्रण ठेवणार्‍या सामान्य मर्त्य ऑपरेटरद्वारे स्पर्श करू शकणार्‍या प्रत्येक गोष्टीला वरच्या पातळीला म्हणतात. सर्वात सोप्या बाबतीत, शीर्ष स्तर दिवे आणि बटणे यांचा संच आहे. लाईट बल्ब ऑपरेटरला सिस्टममध्ये घडणाऱ्या काही घटनांबद्दल सिग्नल देतात, कंट्रोलरला कमांड जारी करण्यासाठी बटणे वापरली जातात. या प्रणालीला सहसा "माला" किंवा "ख्रिसमस ट्री" म्हटले जाते कारण ते अगदी सारखे दिसते (जसे आपण लेखाच्या सुरूवातीस फोटोवरून पाहू शकता).

जर ऑपरेटर अधिक भाग्यवान असेल, तर उच्च स्तरावर त्याला ऑपरेटर पॅनेल मिळेल - एक प्रकारचा फ्लॅट-पॅनेल संगणक जो एक प्रकारे किंवा दुसर्या प्रकारे कंट्रोलरकडून प्रदर्शनासाठी डेटा प्राप्त करतो आणि स्क्रीनवर प्रदर्शित करतो. असे पॅनेल सामान्यत: ऑटोमेशन कॅबिनेटवरच बसवले जाते, त्यामुळे तुम्हाला उभे असताना सहसा त्याच्याशी संवाद साधावा लागतो, ज्यामुळे गैरसोय होते, तसेच छोट्या-स्वरूपाच्या पॅनेलवरील प्रतिमेची गुणवत्ता आणि आकार इच्छित असल्यास बरेच काही सोडते.

आणि शेवटी, अभूतपूर्व उदारतेचे आकर्षण - एक वर्कस्टेशन (किंवा अनेक डुप्लिकेट), जे एक सामान्य वैयक्तिक संगणक आहे.

उच्च-स्तरीय उपकरणांनी मायक्रोकंट्रोलरशी काही प्रकारे संवाद साधला पाहिजे (अन्यथा त्याची आवश्यकता का आहे?). अशा परस्परसंवादासाठी, उच्च-स्तरीय प्रोटोकॉल आणि विशिष्ट ट्रांसमिशन माध्यम वापरले जातात, उदाहरणार्थ, इथरनेट किंवा UART. “ख्रिसमस ट्री” च्या बाबतीत, अशा परिष्कृतता, अर्थातच, आवश्यक नाहीत; लाइट बल्ब सामान्य भौतिक रेषा वापरून प्रकाशित केले जातात, तेथे कोणतेही अत्याधुनिक इंटरफेस किंवा प्रोटोकॉल नाहीत.

सर्वसाधारणपणे, हा वरचा स्तर फील्ड बसपेक्षा कमी मनोरंजक आहे, कारण हा वरचा स्तर अजिबात अस्तित्वात नसू शकतो (ऑपरेटरला मालिकेतून पाहण्यासारखे काहीही नाही; काय करावे लागेल आणि कसे करावे लागेल हे नियंत्रक स्वतःच शोधून काढेल. ).

"प्राचीन" डेटा ट्रान्सफर प्रोटोकॉल: मॉडबस आणि हार्ट

काही लोकांना माहित आहे, परंतु जगाच्या निर्मितीच्या सातव्या दिवशी, देवाने विश्रांती घेतली नाही, परंतु मोडबस तयार केला. HART प्रोटोकॉल सोबत, Modbus हा कदाचित सर्वात जुना औद्योगिक डेटा ट्रान्सफर प्रोटोकॉल आहे; तो 1979 मध्ये परत आला.

सिरीयल इंटरफेस सुरुवातीला ट्रान्समिशन माध्यम म्हणून वापरला गेला होता, नंतर मॉडबस TCP/IP वर लागू केला गेला. हा एक सिंक्रोनस मास्टर-स्लेव्ह (मास्टर-स्लेव्ह) प्रोटोकॉल आहे जो विनंती-प्रतिसाद तत्त्व वापरतो. प्रोटोकॉल खूपच अवजड आणि मंद आहे, एक्सचेंजची गती रिसीव्हर आणि ट्रान्समीटरच्या वैशिष्ट्यांवर अवलंबून असते, परंतु सामान्यतः गणना शेकडो मिलिसेकंद असते, विशेषत: जेव्हा सीरियल इंटरफेसद्वारे अंमलबजावणी केली जाते.

शिवाय, मॉडबस डेटा ट्रान्सफर रजिस्टर 16-बिट आहे, जे वास्तविक आणि दुहेरी प्रकारांच्या हस्तांतरणावर ताबडतोब निर्बंध लादते. ते एकतर भागांमध्ये किंवा अचूकतेच्या नुकसानासह प्रसारित केले जातात. जरी उच्च संप्रेषण गतीची आवश्यकता नसलेल्या आणि प्रसारित डेटाचे नुकसान गंभीर नसलेल्या प्रकरणांमध्ये मॉडबस अजूनही मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. विविध उपकरणांचे अनेक निर्माते त्यांच्या स्वत: च्या अनन्य आणि अगदी मूळ मार्गाने मोडबस प्रोटोकॉलचा विस्तार करू इच्छितात, नॉन-स्टँडर्ड फंक्शन्स जोडतात. म्हणून, या प्रोटोकॉलमध्ये अनेक उत्परिवर्तन आणि सर्वसामान्य प्रमाणातील विचलन आहेत, परंतु तरीही आधुनिक जगात यशस्वीरित्या जगतात.
हार्ट प्रोटोकॉल देखील ऐंशीच्या दशकापासून आहे, हा दोन-वायर करंट लूप लाइनवरचा एक औद्योगिक संप्रेषण प्रोटोकॉल आहे जो 4-20 mA सेन्सर्स आणि इतर HART-सक्षम उपकरणांना थेट जोडतो.

हार्ट लाइन्स स्विच करण्यासाठी, विशेष उपकरणे, तथाकथित हार्ट मोडेम वापरली जातात. असे कन्व्हर्टर देखील आहेत जे वापरकर्त्याला आउटपुटवर Modbus प्रोटोकॉल प्रदान करतात.

हार्ट कदाचित या वस्तुस्थितीसाठी लक्षणीय आहे की 4-20 एमए सेन्सरच्या अॅनालॉग सिग्नल व्यतिरिक्त, प्रोटोकॉलचा डिजिटल सिग्नल देखील सर्किटमध्ये प्रसारित केला जातो, हे आपल्याला एका केबल लाइनमध्ये डिजिटल आणि अॅनालॉग भाग कनेक्ट करण्यास अनुमती देते. मॉडर्न हार्ट मॉडेम कंट्रोलरच्या यूएसबी पोर्टशी कनेक्ट केले जाऊ शकतात, ब्लूटूथद्वारे कनेक्ट केले जाऊ शकतात किंवा सीरियल पोर्टद्वारे जुन्या पद्धतीचे मार्ग. डझनभर वर्षांपूर्वी, वाय-फायशी साधर्म्य साधून, ISM श्रेणीत कार्यरत वायरलेसहार्ट वायरलेस मानक दिसू लागले.

प्रोटोकॉलची दुसरी पिढी किंवा पूर्णपणे औद्योगिक बसेस ISA, PCI(e) आणि VME

Modbus आणि HART प्रोटोकॉल ISA (MicroPC, PC/104) किंवा PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), तसेच VME सारख्या औद्योगिक बसेसने बदलले आहेत.

संगणकाचे युग आले आहे की त्यांच्याकडे एक सार्वत्रिक डेटा बस आहे, जिथे विशिष्ट युनिफाइड सिग्नलवर प्रक्रिया करण्यासाठी विविध बोर्ड (मॉड्यूल) जोडले जाऊ शकतात. नियमानुसार, या प्रकरणात, प्रोसेसर मॉड्यूल (संगणक) तथाकथित फ्रेममध्ये घातला जातो, जो इतर उपकरणांसह बसद्वारे परस्परसंवाद सुनिश्चित करतो. फ्रेम, किंवा, खरे ऑटोमेशन तज्ञ त्याला "क्रेट" म्हणू इच्छितात, आवश्यक इनपुट-आउटपुट बोर्डसह पूरक आहे: अॅनालॉग, डिस्क्रिट, इंटरफेस इ. किंवा हे सर्व सँडविचच्या स्वरूपात एकत्र केले जाते. एक फ्रेम - एक बोर्ड दुसऱ्याच्या वर. त्यानंतर, बसमधील ही विविधता (ISA, PCI, इ.) प्रोसेसर मॉड्यूलसह ​​डेटाची देवाणघेवाण करते, ज्यामुळे सेन्सर्सकडून माहिती प्राप्त होते आणि काही तर्क लागू होते.

PCI बसवरील PXI फ्रेममध्ये कंट्रोलर आणि I/O मॉड्यूल्स. स्रोत: नॅशनल इन्स्ट्रुमेंट्स कॉर्पोरेशन

या ISA, PCI(e) आणि VME बसेसमध्ये सर्व काही ठीक होईल, विशेषत: त्या वेळेसाठी: एक्सचेंज गती निराशाजनक नाही, आणि सिस्टम घटक एकाच फ्रेममध्ये स्थित आहेत, कॉम्पॅक्ट आणि सोयीस्कर, गरम-स्वॅप करण्यायोग्य असू शकत नाहीत. I/O कार्ड, पण मला अजून नको आहे.

पण मलम मध्ये एक माशी आहे, आणि एकापेक्षा जास्त. अशा कॉन्फिगरेशनमध्ये वितरित प्रणाली तयार करणे खूप कठीण आहे, एक्सचेंज बस स्थानिक आहे, तुम्हाला इतर स्लेव्ह किंवा पीअर नोड्ससह डेटाची देवाणघेवाण करण्यासाठी काहीतरी आणणे आवश्यक आहे, टीसीपी/आयपी किंवा इतर काही प्रोटोकॉलवर समान मोडबस. सर्वसाधारणपणे, पुरेशा सोयी नाहीत. बरं, दुसरी फारशी आनंददायी गोष्ट नाही: I/O बोर्ड सहसा इनपुट म्हणून काही प्रकारच्या युनिफाइड सिग्नलची अपेक्षा करतात आणि त्यांच्याकडे फील्ड उपकरणांपासून गॅल्व्हॅनिक अलगाव नसतो, म्हणून तुम्हाला विविध रूपांतरण मॉड्यूल्स आणि इंटरमीडिएट सर्किटरीमधून कुंपण बनवावे लागेल, जे घटकांच्या पायाला मोठ्या प्रमाणात गुंतागुंत करते.

गॅल्व्हॅनिक अलगावसह इंटरमीडिएट सिग्नल रूपांतरण मॉड्यूल. स्रोत: डेटाफोर्थ कॉर्पोरेशन

"औद्योगिक बस प्रोटोकॉलचे काय?" - तू विचार. काहीही नाही. या अंमलबजावणीमध्ये ते अस्तित्वात नाही. केबल लाईन्सद्वारे, सिग्नल सेन्सर्सपासून सिग्नल कन्व्हर्टरपर्यंत प्रवास करतात, कन्व्हर्टर वेगळ्या किंवा अॅनालॉग I/O बोर्डला व्होल्टेज पुरवतात आणि बोर्डमधील डेटा आधीच OS वापरून I/O पोर्टद्वारे वाचला जातो. आणि कोणतेही विशेष प्रोटोकॉल नाहीत.

आधुनिक औद्योगिक बस आणि प्रोटोकॉल कसे कार्य करतात

आता काय? आजपर्यंत, स्वयंचलित प्रणाली तयार करण्याची शास्त्रीय विचारधारा थोडी बदलली आहे. ऑटोमेशन देखील सोयीस्कर असावे या वस्तुस्थितीपासून सुरुवात करून आणि एकमेकांपासून दूर असलेल्या नोड्ससह वितरित स्वयंचलित प्रणालींकडे कल असलेल्या अनेक घटकांनी भूमिका बजावली.

कदाचित आपण असे म्हणू शकतो की आज ऑटोमेशन सिस्टम तयार करण्यासाठी दोन मुख्य संकल्पना आहेत: स्थानिकीकृत आणि वितरित स्वयंचलित प्रणाली.

स्थानिकीकृत प्रणालींच्या बाबतीत, जिथे डेटा संकलन आणि नियंत्रण एका विशिष्ट ठिकाणी केंद्रीकृत केले जाते, सामान्य वेगवान बसद्वारे एकमेकांशी जोडलेल्या इनपुट/आउटपुट मॉड्यूल्सच्या विशिष्ट संचाच्या संकल्पनेला, त्याच्या स्वतःच्या एक्सचेंज प्रोटोकॉलसह नियंत्रकासह, मागणी आहे. या प्रकरणात, नियमानुसार, I/O मॉड्यूल्समध्ये सिग्नल कन्व्हर्टर आणि गॅल्व्हॅनिक अलगाव दोन्ही समाविष्ट आहेत (जरी, अर्थातच, नेहमीच नाही). म्हणजेच, अंतिम वापरकर्त्यासाठी स्वयंचलित प्रणालीमध्ये कोणत्या प्रकारचे सेन्सर आणि यंत्रणा उपस्थित असतील हे समजून घेणे पुरेसे आहे, वेगवेगळ्या प्रकारच्या सिग्नलसाठी आवश्यक इनपुट/आउटपुट मॉड्यूल्सची संख्या मोजा आणि त्यांना कंट्रोलरसह एका सामान्य ओळीत कनेक्ट करा. . या प्रकरणात, नियमानुसार, प्रत्येक निर्माता I/O मॉड्यूल आणि कंट्रोलर दरम्यान त्याच्या आवडत्या एक्सचेंज प्रोटोकॉलचा वापर करतो आणि येथे बरेच पर्याय असू शकतात.

वितरित प्रणालींच्या बाबतीत, स्थानिकीकृत प्रणालींच्या संबंधात जे काही सांगितले जाते ते सत्य आहे, याव्यतिरिक्त, हे महत्वाचे आहे की वैयक्तिक घटक, उदाहरणार्थ, इनपुट-आउटपुट मॉड्यूल्सचा एक संच तसेच माहिती गोळा करण्यासाठी आणि प्रसारित करण्यासाठी डिव्हाइस - एक नाही अतिशय स्मार्ट मायक्रोकंट्रोलर जो फील्डमधील बूथमध्ये कोठेतरी उभा आहे, तेल बंद करणार्‍या वाल्वच्या शेजारी - समान नोड्ससह आणि मुख्य नियंत्रकाशी प्रभावी विनिमय दरासह मोठ्या अंतरावर संवाद साधू शकतो.

विकासक त्यांच्या प्रकल्पासाठी प्रोटोकॉल कसा निवडतात? सर्व आधुनिक एक्सचेंज प्रोटोकॉल बर्‍यापैकी उच्च कार्यप्रदर्शन प्रदान करतात, म्हणून या औद्योगिक बसवरील विनिमय दराने एक किंवा दुसर्‍या उत्पादकाची निवड अनेकदा निर्धारित केली जात नाही. प्रोटोकॉलची अंमलबजावणी स्वतःच तितकी महत्त्वाची नाही, कारण, सिस्टम डेव्हलपरच्या दृष्टिकोनातून, तो अजूनही एक ब्लॅक बॉक्स असेल जो विशिष्ट अंतर्गत एक्सचेंज संरचना प्रदान करतो आणि बाह्य हस्तक्षेपासाठी डिझाइन केलेला नाही. बर्‍याचदा, व्यावहारिक वैशिष्ट्यांकडे लक्ष दिले जाते: संगणकाची कार्यक्षमता, निर्मात्याची संकल्पना हाताशी असलेल्या कामावर लागू करण्यात सुलभता, आवश्यक प्रकारच्या I/O मॉड्यूल्सची उपलब्धता, खंडित न करता गरम-स्वॅप करण्यायोग्य मॉड्यूल्सची क्षमता. बस इ.

लोकप्रिय उपकरणे पुरवठादार औद्योगिक प्रोटोकॉलची त्यांची स्वतःची अंमलबजावणी ऑफर करतात: उदाहरणार्थ, सुप्रसिद्ध कंपनी Siemens Profinet आणि Profibus प्रोटोकॉलची मालिका विकसित करत आहे, B&R पॉवरलिंक प्रोटोकॉल विकसित करत आहे, रॉकवेल ऑटोमेशन इथरनेट/IP प्रोटोकॉल विकसित करत आहे. उदाहरणांच्या या यादीतील घरगुती उपाय: रशियन कंपनी फास्टवेलच्या FBUS प्रोटोकॉलची आवृत्ती.

इथरकॅट आणि कॅन सारख्या विशिष्ट निर्मात्याशी जोडलेले नसलेले आणखी सार्वत्रिक उपाय देखील आहेत. आम्ही लेखाच्या पुढे या प्रोटोकॉलचे तपशीलवार विश्लेषण करू आणि त्यापैकी कोणते विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी अधिक योग्य आहेत ते शोधू: ऑटोमोटिव्ह आणि एरोस्पेस उद्योग, इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादन, पोझिशनिंग सिस्टम आणि रोबोटिक्स. संपर्कात राहा!

स्त्रोत: www.habr.com