औद्योगिक स्वचालनमा बसहरू र प्रोटोकलहरू: कसरी यो सबै काम गर्दछ

पक्कै पनि तपाईंहरू मध्ये धेरैलाई थाहा छ वा देख्नुभएको छ कि कसरी ठूला स्वचालित वस्तुहरू नियन्त्रण गरिन्छ, उदाहरणका लागि, एक आणविक पावर प्लान्ट वा धेरै उत्पादन लाइनहरू भएको कारखाना: मुख्य कार्य प्रायः ठूलो कोठामा हुन्छ, स्क्रिनको गुच्छा, लाइट बल्बहरू सहित। र रिमोट कन्ट्रोलहरू। यो नियन्त्रण जटिल सामान्यतया मुख्य नियन्त्रण कोठा भनिन्छ - उत्पादन सुविधा निगरानीको लागि मुख्य नियन्त्रण प्यानल।

पक्कै पनि तपाई सोच्दै हुनुहुन्थ्यो कि यो सबै हार्डवेयर र सफ्टवेयरको सन्दर्भमा कसरी काम गर्दछ, कसरी यी प्रणालीहरू परम्परागत व्यक्तिगत कम्प्युटरहरू भन्दा फरक छन्। यस लेखमा, हामी हेर्नेछौं कि कसरी विभिन्न डेटा मुख्य नियन्त्रण कोठामा पुग्छ, कसरी आदेशहरू उपकरणहरूमा पठाइन्छ, र कम्प्रेसर स्टेशन, प्रोपेन उत्पादन प्लान्ट, कार असेंबली लाइन, वा यहाँ सम्म कि नियन्त्रण गर्न सामान्यतया के आवश्यक छ। ढल पम्पिङ प्लान्ट।

सबैभन्दा तल्लो तह वा फिल्डबस हो जहाँ यो सबै सुरु हुन्छ

शब्दहरूको यो सेट, सुरु नगरिएकोमा अस्पष्ट छ, जब यो माइक्रोकन्ट्रोलरहरू र अधीनस्थ उपकरणहरू, उदाहरणका लागि, I/O मोड्युलहरू वा नाप्ने यन्त्रहरू बीच सञ्चारका माध्यमहरू वर्णन गर्न आवश्यक हुन्छ तब प्रयोग गरिन्छ। सामान्यतया यस संचार च्यानललाई "फिल्ड बस" भनिन्छ किनभने यो "फिल्ड" बाट नियन्त्रकमा डाटा प्रसारण गर्न जिम्मेवार हुन्छ।

"फिल्ड" एक गहिरो व्यावसायिक शब्द हो जसले यस तथ्यलाई बुझाउँछ कि केहि उपकरणहरू (उदाहरणका लागि, सेन्सर वा एक्चुएटरहरू) जससँग नियन्त्रकले अन्तरक्रिया गर्छ कतै टाढा, टाढा, सडकमा, खेतहरूमा, रातको आवरणमा अवस्थित हुन्छ। । र यो फरक पर्दैन कि सेन्सर नियन्त्रकबाट आधा मिटरमा अवस्थित हुन सक्छ र मापन गर्न सकिन्छ, भन्नुहोस्, स्वचालन क्याबिनेटमा तापमान, यो अझै पनि "क्षेत्रमा" मानिन्छ। प्रायजसो, I/O मोड्युलहरूमा आइपुगेका सेन्सरहरूबाट सङ्केतहरू अझै पनि टाढाको साइटहरू वा उपकरणहरूबाट जानकारी सङ्कलन गर्दै दशौंदेखि सयौं मिटर (र कहिलेकाहीँ धेरै) सम्मको दूरीमा यात्रा गर्छन्। वास्तवमा, त्यसैले एक्सचेन्ज बस, जसको माध्यमबाट नियन्त्रकले यी समान सेन्सरहरूबाट मानहरू प्राप्त गर्दछ, सामान्यतया फिल्ड बस वा कम सामान्य रूपमा, तल्लो-स्तरको बस वा औद्योगिक बस भनिन्छ।

औद्योगिक सुविधा को स्वचालन को सामान्य योजना

त्यसोभए, सेन्सरबाट विद्युतीय संकेतले केबल लाइनहरू (सामान्यतया कोरहरूको निश्चित संख्याको साथ नियमित तामाको केबलको साथ) एक निश्चित दूरीमा यात्रा गर्दछ, जसमा धेरै सेन्सरहरू जडान हुन्छन्। सिग्नल त्यसपछि प्रशोधन मोड्युल (इनपुट/आउटपुट मोड्युल) मा प्रवेश गर्दछ, जहाँ यसलाई नियन्त्रकलाई बुझ्न सकिने डिजिटल भाषामा रूपान्तरण गरिन्छ। अर्को, फिल्ड बस मार्फत यो संकेत सिधै नियन्त्रकमा जान्छ, जहाँ यो अन्तमा प्रशोधन गरिन्छ। त्यस्ता संकेतहरूको आधारमा, माइक्रोकन्ट्रोलरको सञ्चालन तर्क आफै बनाइएको छ।

शीर्ष स्तर: माला देखि सम्पूर्ण कार्यस्थान सम्म

माथिल्लो तहलाई प्राविधिक प्रक्रियालाई नियन्त्रण गर्ने साधारण मर्त्य अपरेटरले छुन सक्ने सबै कुरा भनिन्छ। सरल अवस्थामा, शीर्ष स्तर बत्ती र बटनहरूको सेट हो। लाइट बल्बहरूले प्रणालीमा हुने निश्चित घटनाहरूको बारेमा अपरेटरलाई संकेत गर्दछ, बटनहरू नियन्त्रकलाई आदेश जारी गर्न प्रयोग गरिन्छ। यो प्रणाली प्राय: "माला" वा "क्रिसमस रूख" भनिन्छ किनभने यो धेरै समान देखिन्छ (जस्तै तपाइँ लेखको सुरुमा फोटोबाट देख्न सक्नुहुन्छ)।

यदि अपरेटर अधिक भाग्यशाली छ भने, त्यसपछि शीर्ष स्तरको रूपमा उसले अपरेटर प्यानल पाउनेछ - एक प्रकारको फ्ल्याट-प्यानल कम्प्युटर जसले एक तरिका वा अर्कोमा नियन्त्रकबाट प्रदर्शनको लागि डेटा प्राप्त गर्दछ र स्क्रिनमा प्रदर्शन गर्दछ। यस्तो प्यानल सामान्यतया स्वचालन क्याबिनेटमा माउन्ट गरिएको छ, त्यसैले तपाईले प्राय: उभिँदा यसको साथ अन्तरक्रिया गर्नुपर्छ, जसले असुविधा निम्त्याउँछ, साथै सानो-ढाँचा प्यानलहरूमा छविको गुणस्तर र आकारले धेरै वांछित छोड्छ।

र अन्तमा, अभूतपूर्व उदारता को आकर्षण - एक कार्यस्थान (वा धेरै डुप्लिकेटहरू), जुन एक साधारण व्यक्तिगत कम्प्युटर हो।

माथिल्लो स्तरका उपकरणहरूले माइक्रोकन्ट्रोलरसँग कुनै न कुनै रूपमा अन्तरक्रिया गर्नुपर्छ (अन्यथा यो किन आवश्यक छ?)। यस्तो अन्तरक्रियाको लागि, माथिल्लो-स्तर प्रोटोकलहरू र एक निश्चित प्रसारण माध्यम प्रयोग गरिन्छ, उदाहरणका लागि, इथरनेट वा UART। "क्रिसमस ट्री" को मामलामा, त्यस्ता परिष्कारहरू, निस्सन्देह, आवश्यक पर्दैन; लाइट बल्बहरू सामान्य भौतिक रेखाहरू प्रयोग गरेर प्रज्वलित हुन्छन्, त्यहाँ कुनै परिष्कृत इन्टरफेस वा प्रोटोकलहरू छैनन्।

सामान्यतया, यो माथिल्लो स्तर फिल्ड बस भन्दा कम चाखलाग्दो छ, किनकि यो माथिल्लो स्तर अवस्थित नहुन सक्छ (त्यहाँ अपरेटरको लागि श्रृंखलाबाट हेर्नको लागि केहि छैन; नियन्त्रक आफैले के गर्न आवश्यक छ र कसरी पत्ता लगाउनेछ। )।

"प्राचीन" डाटा ट्रान्सफर प्रोटोकल: मोडबस र हार्ट

थोरैलाई थाहा छ, तर संसारको सृष्टिको सातौं दिनमा, भगवानले आराम गर्नुभएन, तर मोडबस सिर्जना गर्नुभयो। हार्ट प्रोटोकलको साथमा, मोडबस सायद सबैभन्दा पुरानो औद्योगिक डाटा ट्रान्सफर प्रोटोकल हो; यो 1979 मा देखा पर्‍यो।

सिरियल इन्टरफेस सुरुमा प्रसारण माध्यमको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो, त्यसपछि Modbus TCP/IP मा लागू गरिएको थियो। यो एक सिंक्रोनस मास्टर-स्लेभ (मास्टर-स्लेभ) प्रोटोकल हो जसले अनुरोध-प्रतिक्रिया सिद्धान्त प्रयोग गर्दछ। प्रोटोकल एकदम बोझिलो र ढिलो छ, विनिमय गति रिसीभर र ट्रान्समिटर को विशेषताहरु मा निर्भर गर्दछ, तर सामान्यतया गणना लगभग सयौं मिलिसेकेन्ड छ, विशेष गरी जब एक सीरियल इन्टरफेस मार्फत कार्यान्वयन।

यसबाहेक, Modbus डाटा स्थानान्तरण दर्ता 16-बिट हो, जसले तुरुन्तै वास्तविक र डबल प्रकारको स्थानान्तरणमा प्रतिबन्ध लगाउँछ। तिनीहरू या त भागहरूमा वा सटीकताको हानिमा प्रसारित हुन्छन्। यद्यपि Modbus अझै पनि उच्च संचार गति आवश्यक पर्दैन र प्रसारित डाटा को हानि महत्वपूर्ण छैन मामिलामा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। विभिन्न यन्त्रहरूका धेरै निर्माताहरूले मोडबस प्रोटोकललाई आफ्नै अनन्य र धेरै मौलिक तरिकामा विस्तार गर्न मन पराउँछन्, गैर-मानक प्रकार्यहरू थप्दै। तसर्थ, यो प्रोटोकल मा धेरै उत्परिवर्तन र मानक देखि विचलन छ, तर अझै पनि आधुनिक संसारमा सफलतापूर्वक जीवित छ।
हार्ट प्रोटोकल पनि अस्सीको दशकदेखि नै रहेको छ, यो दुई-तार वर्तमान लूप लाइनमा 4-20 mA सेन्सरहरू र अन्य HART-सक्षम यन्त्रहरूलाई सीधा जडान गर्ने औद्योगिक संचार प्रोटोकल हो।

हार्ट लाइनहरू स्विच गर्न, विशेष उपकरणहरू, तथाकथित हार्ट मोडेमहरू प्रयोग गरिन्छ। त्यहाँ पनि कन्भर्टरहरू छन् जसले प्रयोगकर्तालाई आउटपुटमा मोडबस प्रोटोकल प्रदान गर्दछ।

हार्ट सायद यस तथ्यको लागि उल्लेखनीय छ कि 4-20 mA सेन्सरहरूको एनालग संकेतहरू बाहेक, प्रोटोकलको डिजिटल सिग्नल पनि सर्किटमा प्रसारित हुन्छ, यसले तपाईंलाई डिजिटल र एनालग भागहरू एक केबल लाइनमा जडान गर्न अनुमति दिन्छ। आधुनिक हार्ट मोडेमहरू कन्ट्रोलरको USB पोर्टमा जडान गर्न सकिन्छ, ब्लुटुथ मार्फत जडान गर्न सकिन्छ, वा सिरियल पोर्ट मार्फत पुरानो जमानाको तरिका। एक दर्जन वर्ष पहिले, Wi-Fi संग समानता द्वारा, ISM दायरामा सञ्चालन हुने WirelessHART वायरलेस मानक, देखा पर्‍यो।

प्रोटोकलको दोस्रो पुस्ता वा धेरै औद्योगिक बसहरू ISA, PCI(e) र VME

Modbus र HART प्रोटोकलहरू ISA (MicroPC, PC/104) वा PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), साथै VME जस्ता औद्योगिक बसहरूले प्रतिस्थापन गरेका छन्।

कम्प्यूटरहरूको युग आएको छ जसको पहुँचमा एक विश्वव्यापी डाटा बस छ, जहाँ विभिन्न बोर्डहरू (मोड्युलहरू) एक निश्चित एकीकृत संकेत प्रशोधन गर्न जडान गर्न सकिन्छ। एक नियमको रूपमा, यस अवस्थामा, प्रोसेसर मोड्युल (कम्प्यूटर) तथाकथित फ्रेममा घुसाइएको छ, जसले अन्य उपकरणहरूसँग बस मार्फत अन्तरक्रिया सुनिश्चित गर्दछ। फ्रेम, वा, साँचो स्वचालन विशेषज्ञहरूले यसलाई "क्रेट" भन्न मन पराउँछन्, आवश्यक इनपुट-आउटपुट बोर्डहरू: एनालग, अलग, इन्टरफेस, आदि, वा यी सबै बिना स्यान्डविचको रूपमा सँगै राखिएको छ। एक फ्रेम - अर्को माथि एक बोर्ड। त्यस पछि, बसमा यो विविधता (ISA, PCI, आदि) प्रोसेसर मोड्युलसँग डाटा आदानप्रदान गर्दछ, जसले यसरी सेन्सरहरूबाट जानकारी प्राप्त गर्दछ र केही तर्कहरू लागू गर्दछ।

PCI बसमा PXI फ्रेममा नियन्त्रक र I/O मोड्युलहरू। मुहान: राष्ट्रिय उपकरण निगम

यी ISA, PCI(e) र VME बसहरूसँग सबै कुरा ठीक हुनेछ, विशेष गरी ती समयहरूको लागि: विनिमय गति निराशाजनक छैन, र प्रणाली कम्पोनेन्टहरू एकल फ्रेममा अवस्थित छन्, कम्प्याक्ट र सुविधाजनक, त्यहाँ तातो-स्वैपयोग्य नहुन सक्छ। I/O कार्डहरू, तर म अझै चाहन्न।

तर मलममा झिंगा छ, र एकभन्दा बढी। यस्तो कन्फिगरेसनमा वितरण प्रणाली निर्माण गर्न धेरै गाह्रो छ, एक्सचेन्ज बस स्थानीय हो, तपाईले अन्य दास वा साथी नोडहरूसँग डाटा आदानप्रदान गर्न केहि ल्याउनु पर्छ, TCP/IP वा केहि अन्य प्रोटोकलमा उही मोडबस, मा। सामान्य, त्यहाँ पर्याप्त सुविधा छैन। खैर, दोस्रो धेरै रमाइलो कुरा होइन: I/O बोर्डहरूले सामान्यतया इनपुटको रूपमा कुनै प्रकारको एकीकृत संकेतको अपेक्षा गर्दछ, र तिनीहरूसँग फिल्ड उपकरणहरूबाट ग्याल्भेनिक अलगाव हुँदैन, त्यसैले तपाईंले विभिन्न रूपान्तरण मोड्युलहरू र मध्यवर्ती सर्किटरीबाट बार बनाउन आवश्यक छ, जसले तत्व आधारलाई धेरै जटिल बनाउँछ।

ग्याल्भेनिक अलगाव संग मध्यवर्ती संकेत रूपान्तरण मोड्युल। मुहान: DataForth निगम

"औद्योगिक बस प्रोटोकलको बारेमा के हो?" - तिमी सोध। केही छैन। यो कार्यान्वयनमा अवस्थित छैन। केबल लाइनहरू मार्फत, संकेतले सेन्सरहरूबाट सिग्नल कन्भर्टरहरूमा यात्रा गर्दछ, कन्भर्टरहरूले असन्तुलित वा एनालग I/O बोर्डमा भोल्टेज आपूर्ति गर्दछ, र बोर्डबाट डाटा पहिले नै OS प्रयोग गरेर I/O पोर्टहरू मार्फत पढिएको छ। र कुनै विशेष प्रोटोकल छैन।

कसरी आधुनिक औद्योगिक बस र प्रोटोकल काम गर्दछ

अब के? आज सम्म, स्वचालित प्रणाली निर्माण को शास्त्रीय विचारधारा अलिकति परिवर्तन भएको छ। धेरै कारकहरूले भूमिका खेलेका छन्, यस तथ्यबाट सुरु हुँदै कि स्वचालन पनि सुविधाजनक हुनुपर्छ, र एक अर्काबाट टाढा नोडहरू सहित वितरित स्वचालित प्रणालीहरू तर्फ प्रवृत्तिको साथ समाप्त हुन्छ।

सायद हामी भन्न सक्छौं कि आज स्वचालन प्रणालीहरू निर्माण गर्न दुई मुख्य अवधारणाहरू छन्: स्थानीयकृत र वितरण स्वचालित प्रणालीहरू।

स्थानीयकृत प्रणालीहरूको मामलामा, जहाँ डेटा सङ्कलन र नियन्त्रण एक विशिष्ट स्थानमा केन्द्रीकृत हुन्छ, एक सामान्य द्रुत बस, यसको आफ्नै एक्सचेन्ज प्रोटोकलको साथ नियन्त्रक सहित, एक निश्चित सेट इनपुट/आउटपुट मोड्युलहरूको अवधारणाको माग छ। यस अवस्थामा, एक नियमको रूपमा, I/O मोड्युलहरूले सिग्नल कन्भर्टर र ग्याल्भेनिक अलगाव दुवै समावेश गर्दछ (यद्यपि, अवश्य पनि, सधैं होइन)। अर्थात्, स्वचालित प्रणालीमा कुन प्रकारका सेन्सरहरू र मेकानिजमहरू उपस्थित हुनेछन् भनेर अन्तिम प्रयोगकर्तालाई बुझ्न पर्याप्त छ, विभिन्न प्रकारका संकेतहरूको लागि आवश्यक इनपुट/आउटपुट मोड्युलहरूको संख्या गणना गर्नुहोस् र तिनीहरूलाई नियन्त्रकसँग एक साझा लाइनमा जडान गर्नुहोस्। । यस अवस्थामा, नियमको रूपमा, प्रत्येक निर्माताले I/O मोड्युलहरू र नियन्त्रकहरू बीचको आफ्नो मनपर्ने विनिमय प्रोटोकल प्रयोग गर्दछ, र यहाँ धेरै विकल्पहरू हुन सक्छन्।

वितरित प्रणालीहरूको मामलामा, स्थानीयकृत प्रणालीहरूको सम्बन्धमा भनिएको सबै कुरा सत्य हो, थप रूपमा, यो महत्त्वपूर्ण छ कि व्यक्तिगत घटकहरू, उदाहरणका लागि, इनपुट-आउटपुट मोड्युलहरूको सेट र जानकारी सङ्कलन र प्रसारणको लागि एक उपकरण - एक होइन। धेरै स्मार्ट माइक्रोकन्ट्रोलर जुन फिल्डको बुथमा कतै खडा हुन्छ, तेल बन्द गर्ने भल्भको छेउमा - उही नोडहरू र प्रभावकारी विनिमय दरको साथ ठूलो दूरीमा मुख्य नियन्त्रकसँग अन्तरक्रिया गर्न सक्छ।

विकासकर्ताहरूले आफ्नो परियोजनाको लागि प्रोटोकल कसरी छनौट गर्छन्? सबै आधुनिक एक्सचेन्ज प्रोटोकलहरूले पर्याप्त उच्च प्रदर्शन प्रदान गर्दछ, त्यसैले एक वा अर्को निर्माताको छनोट प्रायः यो धेरै औद्योगिक बसमा विनिमय दरले निर्धारण गर्दैन। प्रोटोकलको कार्यान्वयन आफैमा धेरै महत्त्वपूर्ण छैन, किनभने, प्रणाली विकासकर्ताको दृष्टिकोणबाट, यो अझै पनि कालो बाकस हुनेछ जसले एक निश्चित आन्तरिक विनिमय संरचना प्रदान गर्दछ र बाह्य हस्तक्षेपको लागि डिजाइन गरिएको छैन। प्रायजसो, व्यावहारिक विशेषताहरूमा ध्यान दिइन्छ: कम्प्युटरको प्रदर्शन, हातमा रहेको कार्यमा निर्माताको अवधारणा लागू गर्न सजिलो, आवश्यक प्रकारका I/O मोड्युलहरूको उपलब्धता, बिना तोड्न तातो-स्वैपयोग्य मोड्युलहरूको क्षमता। बस, आदि।

लोकप्रिय उपकरण आपूर्तिकर्ताहरूले औद्योगिक प्रोटोकलहरूको आफ्नै कार्यान्वयन प्रस्ताव गर्छन्: उदाहरणका लागि, प्रसिद्ध कम्पनी Siemens ले प्रोफिनेट र प्रोफिबस प्रोटोकलहरूको आफ्नो श्रृंखला विकास गर्दैछ, B&R ले Powerlink प्रोटोकल विकास गरिरहेको छ, Rockwell Automation ले EtherNet/IP प्रोटोकल विकास गर्दैछ। उदाहरणहरूको यो सूचीमा घरेलु समाधान: रूसी कम्पनी फास्टवेलबाट FBUS प्रोटोकलको संस्करण।

त्यहाँ धेरै सार्वभौमिक समाधानहरू छन् जुन एक विशिष्ट निर्मातासँग बाँधिएको छैन, जस्तै EtherCAT र CAN। हामी लेखको निरन्तरतामा यी प्रोटोकलहरूलाई विस्तृत रूपमा विश्लेषण गर्नेछौं र ती मध्ये कुन विशेष अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त छ भनेर पत्ता लगाउनेछौं: अटोमोटिभ र एयरोस्पेस उद्योगहरू, इलेक्ट्रोनिक्स निर्माण, स्थिति प्रणाली र रोबोटिक्स। सम्पर्कमा रहनुहोस्!

स्रोत: www.habr.com