صنعتی آٹومیشن میں بسیں اور پروٹوکول: یہ سب کیسے کام کرتا ہے۔

یقیناً آپ میں سے بہت سے لوگ جانتے ہیں یا یہ بھی دیکھ چکے ہیں کہ کس طرح بڑی خودکار اشیاء کو کنٹرول کیا جاتا ہے، مثال کے طور پر، ایک جوہری پاور پلانٹ یا ایک فیکٹری جس میں بہت سی پیداواری لائنیں ہیں: مرکزی کارروائی اکثر ایک بڑے کمرے میں ہوتی ہے، جس میں اسکرینوں کے ایک گروپ، روشنی کے بلب ہوتے ہیں۔ اور ریموٹ کنٹرولز۔ اس کنٹرول کمپلیکس کو عام طور پر مین کنٹرول روم کہا جاتا ہے - پیداواری سہولت کی نگرانی کے لیے مرکزی کنٹرول پینل۔

یقیناً آپ سوچ رہے ہوں گے کہ یہ سب ہارڈ ویئر اور سافٹ ویئر کے معاملے میں کیسے کام کرتا ہے، یہ سسٹم روایتی پرسنل کمپیوٹرز سے کیسے مختلف ہیں۔ اس آرٹیکل میں، ہم دیکھیں گے کہ مرکزی کنٹرول روم میں مختلف ڈیٹا کیسے پہنچتا ہے، کس طرح آلات کو کمانڈ بھیجے جاتے ہیں، اور کمپریسر اسٹیشن، پروپین پروڈکشن پلانٹ، کار اسمبلی لائن، یا یہاں تک کہ ایک کو کنٹرول کرنے کے لیے عام طور پر کیا ضرورت ہوتی ہے۔ سیوریج پمپنگ پلانٹ.

سب سے نچلی سطح یا فیلڈ بس وہ ہے جہاں سے یہ سب شروع ہوتا ہے۔

الفاظ کا یہ مجموعہ، غیر شروع شدہ کے لیے غیر واضح، اس وقت استعمال ہوتا ہے جب مائیکرو کنٹرولرز اور ماتحت آلات، مثال کے طور پر، I/O ماڈیولز یا پیمائشی آلات کے درمیان مواصلات کے ذرائع کو بیان کرنے کے لیے ضروری ہو۔ عام طور پر اس مواصلاتی چینل کو "فیلڈ بس" کہا جاتا ہے کیونکہ یہ "فیلڈ" سے کنٹرولر تک آنے والے ڈیٹا کو منتقل کرنے کا ذمہ دار ہے۔

"فیلڈ" ایک گہری پیشہ ورانہ اصطلاح ہے جو اس حقیقت کی طرف اشارہ کرتی ہے کہ کچھ آلات (مثال کے طور پر، سینسر یا ایکچویٹرز) جن کے ساتھ کنٹرولر بات چیت کرتا ہے وہ کہیں دور، بہت دور، سڑک پر، کھیتوں میں، رات کی آڑ میں واقع ہوتا ہے۔ . اور اس سے کوئی فرق نہیں پڑتا ہے کہ سینسر کنٹرولر سے آدھے میٹر کے فاصلے پر واقع ہو سکتا ہے اور کہیے کہ آٹومیشن کیبنٹ میں درجہ حرارت کی پیمائش کی جا سکتی ہے، پھر بھی یہ سمجھا جاتا ہے کہ یہ "میدان میں" ہے۔ اکثر، I/O ماڈیولز پر پہنچنے والے سینسر سے سگنلز اب بھی دسیوں سے سینکڑوں میٹر (اور بعض اوقات اس سے بھی زیادہ) کا فاصلہ طے کرتے ہیں، دور دراز کی سائٹس یا آلات سے معلومات اکٹھا کرتے ہیں۔ درحقیقت، اسی لیے ایکسچینج بس، جس کے ذریعے کنٹرولر ان ہی سینسرز سے اقدار حاصل کرتا ہے، کو عام طور پر فیلڈ بس یا کم عام طور پر، نچلی سطح کی بس یا صنعتی بس کہا جاتا ہے۔

صنعتی سہولت کے آٹومیشن کی عمومی اسکیم

لہذا، سینسر سے برقی سگنل کیبل لائنوں کے ساتھ ایک خاص فاصلہ طے کرتا ہے (عام طور پر ایک عام تانبے کیبل کے ساتھ ایک مخصوص تعداد کے ساتھ)، جس سے کئی سینسر جڑے ہوتے ہیں۔ سگنل پھر پروسیسنگ ماڈیول (ان پٹ/آؤٹ پٹ ماڈیول) میں داخل ہوتا ہے، جہاں اسے کنٹرولر کے لیے قابل فہم ڈیجیٹل زبان میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ اگلا، فیلڈ بس کے ذریعے یہ سگنل براہ راست کنٹرولر تک جاتا ہے، جہاں اس پر بالآخر کارروائی ہوتی ہے۔ اس طرح کے سگنلز کی بنیاد پر، مائیکرو کنٹرولر کی آپریٹنگ منطق خود بنائی گئی ہے۔

اوپر کی سطح: مالا سے لے کر پورے ورک سٹیشن تک

اوپری سطح ہر اس چیز کو کہا جاتا ہے جسے تکنیکی عمل کو کنٹرول کرنے والا ایک عام فانی آپریٹر چھو سکتا ہے۔ آسان ترین صورت میں، اوپر کی سطح روشنیوں اور بٹنوں کا ایک سیٹ ہے۔ لائٹ بلب آپریٹر کو سسٹم میں ہونے والے کچھ واقعات کے بارے میں سگنل دیتے ہیں، بٹن کنٹرولر کو کمانڈ جاری کرنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔ اس نظام کو اکثر "مالا" یا "کرسمس ٹری" کہا جاتا ہے کیونکہ یہ بہت ملتا جلتا نظر آتا ہے (جیسا کہ آپ مضمون کے شروع میں تصویر سے دیکھ سکتے ہیں)۔

اگر آپریٹر زیادہ خوش قسمت ہے، تو اوپری سطح پر اسے آپریٹر پینل ملے گا - ایک قسم کا فلیٹ پینل کمپیوٹر جو کسی نہ کسی طریقے سے کنٹرولر سے ڈسپلے کے لیے ڈیٹا حاصل کرتا ہے اور اسے اسکرین پر دکھاتا ہے۔ اس طرح کا پینل عام طور پر آٹومیشن کیبنٹ پر ہی نصب ہوتا ہے، اس لیے آپ کو کھڑے ہوتے ہوئے عموماً اس کے ساتھ بات چیت کرنی پڑتی ہے، جس کی وجہ سے تکلیف ہوتی ہے، نیز چھوٹے فارمیٹ والے پینلز پر تصویر کا معیار اور سائز بہت زیادہ مطلوبہ چھوڑ دیتا ہے۔

اور آخر میں، بے مثال سخاوت کی کشش - ایک ورک سٹیشن (یا اس سے بھی کئی ڈپلیکیٹس)، جو ایک عام پرسنل کمپیوٹر ہے۔

اوپری سطح کے آلات کو مائکروکنٹرولر کے ساتھ کسی نہ کسی طرح تعامل کرنا چاہیے (ورنہ اس کی ضرورت کیوں ہے؟) اس طرح کے تعامل کے لیے، اوپری سطح کے پروٹوکول اور ایک مخصوص ٹرانسمیشن میڈیم استعمال کیا جاتا ہے، مثال کے طور پر، ایتھرنیٹ یا UART۔ "کرسمس ٹری" کے معاملے میں، اس طرح کی نفاستیں، یقیناً ضروری نہیں ہیں؛ روشنی کے بلب کو عام فزیکل لائنوں کا استعمال کرتے ہوئے روشن کیا جاتا ہے، وہاں کوئی نفیس انٹرفیس یا پروٹوکول نہیں ہیں۔

عام طور پر، یہ اوپری سطح فیلڈ بس کے مقابلے میں کم دلچسپ ہے، کیونکہ یہ اوپری سطح بالکل بھی موجود نہیں ہو سکتی ہے (آپریٹر کے لیے سیریز سے دیکھنے کے لیے کچھ بھی نہیں ہے؛ کنٹرولر خود اندازہ کر لے گا کہ کیا کرنے کی ضرورت ہے اور کیسے )۔

"قدیم" ڈیٹا ٹرانسفر پروٹوکول: موڈبس اور ہارٹ

بہت کم لوگ جانتے ہیں لیکن دنیا کی تخلیق کے ساتویں دن خدا نے آرام نہیں کیا بلکہ موڈبس کو پیدا کیا۔ HART پروٹوکول کے ساتھ، Modbus شاید سب سے قدیم صنعتی ڈیٹا ٹرانسفر پروٹوکول ہے؛ یہ 1979 میں دوبارہ ظاہر ہوا تھا۔

سیریل انٹرفیس کو ابتدائی طور پر ٹرانسمیشن میڈیم کے طور پر استعمال کیا گیا تھا، پھر Modbus کو TCP/IP پر لاگو کیا گیا تھا۔ یہ ایک مطابقت پذیر ماسٹر غلام (ماسٹر غلام) پروٹوکول ہے جو درخواست کے جواب کے اصول کو استعمال کرتا ہے۔ پروٹوکول کافی بوجھل اور سست ہے، ایکسچینج کی رفتار ریسیور اور ٹرانسمیٹر کی خصوصیات پر منحصر ہے، لیکن عام طور پر گنتی تقریباً سینکڑوں ملی سیکنڈز کی ہوتی ہے، خاص طور پر جب اسے سیریل انٹرفیس کے ذریعے لاگو کیا جاتا ہے۔

مزید برآں، Modbus ڈیٹا ٹرانسفر رجسٹر 16-bit ہے، جو فوری طور پر حقیقی اور ڈبل قسم کی منتقلی پر پابندیاں عائد کرتا ہے۔ وہ یا تو حصوں میں یا درستگی کے نقصان کے ساتھ منتقل ہوتے ہیں۔ اگرچہ موڈبس اب بھی ایسے معاملات میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے جہاں مواصلات کی تیز رفتار کی ضرورت نہیں ہوتی ہے اور منتقل شدہ ڈیٹا کا نقصان اہم نہیں ہوتا ہے۔ مختلف ڈیوائسز کے بہت سے مینوفیکچررز غیر معیاری فنکشنز کو شامل کرتے ہوئے Modbus پروٹوکول کو اپنے مخصوص اور انتہائی اصل انداز میں بڑھانا پسند کرتے ہیں۔ لہذا، اس پروٹوکول میں معمول سے بہت سے تغیرات اور انحرافات ہیں، لیکن پھر بھی جدید دنیا میں کامیابی کے ساتھ زندہ ہے۔
ہارٹ پروٹوکول بھی اسی کی دہائی سے چل رہا ہے، یہ دو تاروں والی کرنٹ لوپ لائن پر ایک صنعتی کمیونیکیشن پروٹوکول ہے جو 4-20 ایم اے سینسرز اور دیگر ہارٹ سے چلنے والے آلات کو براہ راست جوڑتا ہے۔

ہارٹ لائنوں کو تبدیل کرنے کے لیے، خاص آلات، نام نہاد ہارٹ موڈیم، استعمال کیے جاتے ہیں۔ ایسے کنورٹرز بھی ہیں جو صارف کو آؤٹ پٹ پر Modbus پروٹوکول فراہم کرتے ہیں۔

ہارٹ شاید اس حقیقت کے لیے قابل ذکر ہے کہ 4-20 ایم اے سینسرز کے اینالاگ سگنلز کے علاوہ خود پروٹوکول کا ڈیجیٹل سگنل بھی سرکٹ میں منتقل ہوتا ہے، اس سے آپ ڈیجیٹل اور اینالاگ پارٹس کو ایک کیبل لائن میں جوڑ سکتے ہیں۔ جدید ہارٹ موڈیم کو کنٹرولر کے USB پورٹ سے منسلک کیا جا سکتا ہے، بلوٹوتھ کے ذریعے منسلک کیا جا سکتا ہے، یا سیریل پورٹ کے ذریعے پرانے زمانے کے طریقے سے۔ ایک درجن سال پہلے، وائی فائی سے مشابہت کے ساتھ، ISM رینج میں کام کرنے والا وائرلیس ہارٹ وائرلیس معیار ظاہر ہوا۔

پروٹوکول کی دوسری نسل یا کافی صنعتی بسیں ISA، PCI(e) اور VME

Modbus اور HART پروٹوکول کو صنعتی بسوں سے تبدیل نہیں کیا گیا ہے، جیسے ISA (MicroPC، PC/104) یا PCI/PCIe (CompactPCI، CompactPCI سیریل، StacPC) کے ساتھ ساتھ VME۔

کمپیوٹرز کا دور آ گیا ہے کہ ان کے اختیار میں ایک یونیورسل ڈیٹا بس ہے، جہاں مختلف بورڈز (ماڈیولز) کو ایک مخصوص متحد سگنل پر کارروائی کرنے کے لیے جوڑا جا سکتا ہے۔ ایک اصول کے طور پر، اس صورت میں، پروسیسر ماڈیول (کمپیوٹر) نام نہاد فریم میں ڈالا جاتا ہے، جو دوسرے آلات کے ساتھ بس کے ذریعے تعامل کو یقینی بناتا ہے۔ فریم، یا، جیسا کہ حقیقی آٹومیشن ماہرین اسے "کریٹ" کہنا چاہتے ہیں، ضروری ان پٹ آؤٹ پٹ بورڈز: اینالاگ، ڈسکریٹ، انٹرفیس، وغیرہ کے ساتھ ضمیمہ کیا جاتا ہے، یا یہ سب کچھ بغیر سینڈوچ کی شکل میں ایک ساتھ رکھا جاتا ہے۔ ایک فریم - ایک بورڈ دوسرے کے اوپر۔ اس کے بعد، بس پر موجود یہ ورائٹی (ISA، PCI، وغیرہ) ڈیٹا کا تبادلہ پروسیسر ماڈیول کے ساتھ کرتی ہے، جو اس طرح سینسرز سے معلومات حاصل کرتی ہے اور کچھ منطق کو نافذ کرتی ہے۔

PCI بس پر PXI فریم میں کنٹرولر اور I/O ماڈیولز۔ ذریعہ: قومی سازوسامان کارپوریشن

ان ISA، PCI(e) اور VME بسوں کے ساتھ سب کچھ ٹھیک ہو جائے گا، خاص طور پر ان اوقات کے لیے: تبادلے کی رفتار مایوس کن نہیں ہے، اور سسٹم کے اجزاء ایک ہی فریم میں واقع ہیں، کمپیکٹ اور آسان، ہو سکتا ہے گرم تبدیل نہ ہو سکیں۔ I/O کارڈز، لیکن میں واقعی میں ابھی تک نہیں چاہتا۔

لیکن مرہم میں ایک مکھی ہے، اور ایک سے بڑھ کر۔ اس طرح کی ترتیب میں تقسیم شدہ نظام بنانا کافی مشکل ہے، ایکسچینج بس مقامی ہے، آپ کو دوسرے غلام یا ہم مرتبہ نوڈس کے ساتھ ڈیٹا کا تبادلہ کرنے کے لیے کچھ لے کر آنے کی ضرورت ہے، TCP/IP یا کسی دوسرے پروٹوکول پر وہی Modbus، عام طور پر، کافی سہولیات نہیں ہیں. ٹھیک ہے، دوسری بہت خوشگوار چیز نہیں ہے: I/O بورڈز عام طور پر ان پٹ کے طور پر کسی قسم کے متحد سگنل کی توقع کرتے ہیں، اور ان میں فیلڈ آلات سے galvanic تنہائی نہیں ہوتی ہے، لہذا آپ کو مختلف کنورژن ماڈیولز اور انٹرمیڈیٹ سرکٹری سے باڑ بنانے کی ضرورت ہے، جو عنصر کی بنیاد کو بہت پیچیدہ بناتا ہے۔

galvanic تنہائی کے ساتھ انٹرمیڈیٹ سگنل کنورژن ماڈیولز۔ ذریعہ: ڈیٹا فورتھ کارپوریشن

"صنعتی بس پروٹوکول کا کیا ہوگا؟" - تم پوچھو. کچھ نہیں یہ اس نفاذ میں موجود نہیں ہے۔ کیبل لائنوں کے ذریعے، سگنل سینسرز سے سگنل کنورٹرز تک سفر کرتا ہے، کنورٹرز مجرد یا اینالاگ I/O بورڈ کو وولٹیج فراہم کرتے ہیں، اور بورڈ سے ڈیٹا پہلے ہی OS کا استعمال کرتے ہوئے I/O پورٹس کے ذریعے پڑھا جاتا ہے۔ اور کوئی خصوصی پروٹوکول نہیں۔

جدید صنعتی بسیں اور پروٹوکول کیسے کام کرتے ہیں۔

اب کیا؟ آج تک، خودکار نظاموں کی تعمیر کا کلاسیکی نظریہ تھوڑا بدل گیا ہے۔ بہت سے عوامل نے ایک کردار ادا کیا، اس حقیقت سے شروع ہوتا ہے کہ آٹومیشن بھی آسان ہونا چاہیے، اور تقسیم شدہ خودکار نظاموں کی طرف رجحان کے ساتھ اختتام پذیر ہوتا ہے جس میں نوڈس ایک دوسرے سے دور ہوتے ہیں۔

شاید ہم کہہ سکتے ہیں کہ آج آٹومیشن سسٹم بنانے کے لیے دو اہم تصورات ہیں: مقامی اور تقسیم شدہ خودکار نظام۔

لوکلائزڈ سسٹمز کے معاملے میں، جہاں ڈیٹا اکٹھا کرنے اور کنٹرول کو ایک مخصوص جگہ پر مرکزی کیا جاتا ہے، ایک عام تیز بس کے ذریعے آپس میں جڑے ہوئے ان پٹ/آؤٹ پٹ ماڈیولز کے ایک مخصوص سیٹ کے تصور کی مانگ ہے، جس میں اس کے اپنے ایکسچینج پروٹوکول والا کنٹرولر بھی شامل ہے۔ اس صورت میں، ایک اصول کے طور پر، I/O ماڈیولز میں سگنل کنورٹر اور galvanic تنہائی دونوں شامل ہیں (حالانکہ، یقیناً، ہمیشہ نہیں)۔ یعنی، آخری صارف کے لیے یہ سمجھنا کافی ہے کہ خودکار نظام میں کس قسم کے سینسر اور میکانزم موجود ہوں گے، مختلف قسم کے سگنلز کے لیے مطلوبہ ان پٹ/آؤٹ پٹ ماڈیولز کی تعداد شمار کریں اور انہیں کنٹرولر کے ساتھ ایک مشترکہ لائن میں جوڑ دیں۔ . اس صورت میں، ایک اصول کے طور پر، ہر مینوفیکچرر I/O ماڈیولز اور کنٹرولر کے درمیان اپنا پسندیدہ ایکسچینج پروٹوکول استعمال کرتا ہے، اور یہاں بہت سارے اختیارات ہوسکتے ہیں۔

تقسیم شدہ نظاموں کے معاملے میں، مقامی نظاموں کے سلسلے میں جو کچھ بھی کہا جاتا ہے وہ درست ہے، اس کے علاوہ، یہ ضروری ہے کہ انفرادی اجزاء، مثال کے طور پر، ان پٹ آؤٹ پٹ ماڈیولز کا ایک سیٹ اور معلومات کو جمع کرنے اور منتقل کرنے کے لیے ایک آلہ۔ بہت سمارٹ مائیکرو کنٹرولر جو فیلڈ میں کسی بوتھ میں کہیں کھڑا ہے، تیل کو بند کرنے والے والو کے ساتھ - ایک ہی نوڈس کے ساتھ اور مرکزی کنٹرولر کے ساتھ ایک مؤثر شرح تبادلہ کے ساتھ بہت فاصلے پر بات چیت کرسکتا ہے۔

ڈویلپر اپنے پروجیکٹ کے لیے پروٹوکول کا انتخاب کیسے کرتے ہیں؟ تمام جدید ایکسچینج پروٹوکول کافی حد تک اعلیٰ کارکردگی فراہم کرتے ہیں، اس لیے ایک یا دوسرے صنعت کار کا انتخاب اکثر اس صنعتی بس پر شرح مبادلہ سے طے نہیں ہوتا ہے۔ پروٹوکول کا نفاذ خود اتنا اہم نہیں ہے، کیونکہ سسٹم ڈویلپر کے نقطہ نظر سے، یہ اب بھی ایک بلیک باکس ہوگا جو ایک مخصوص اندرونی تبادلے کا ڈھانچہ فراہم کرتا ہے اور اسے بیرونی مداخلت کے لیے ڈیزائن نہیں کیا گیا ہے۔ اکثر، عملی خصوصیات پر توجہ دی جاتی ہے: کمپیوٹر کی کارکردگی، کارخانہ دار کے تصور کو ہاتھ میں رکھے ہوئے کام پر لاگو کرنے میں آسانی، مطلوبہ قسم کے I/O ماڈیولز کی دستیابی، بغیر توڑے گرم تبدیل کرنے کے قابل ماڈیولز کی صلاحیت۔ بس، وغیرہ

مشہور سازوسامان فراہم کرنے والے صنعتی پروٹوکول کے اپنے نفاذ کی پیشکش کرتے ہیں: مثال کے طور پر، معروف کمپنی سیمنز Profinet اور Profibus پروٹوکولز کی اپنی سیریز تیار کر رہی ہے، B&R پاور لنک پروٹوکول تیار کر رہی ہے، Rockwell Automation EtherNet/IP پروٹوکول تیار کر رہی ہے۔ مثالوں کی اس فہرست میں ایک گھریلو حل: روسی کمپنی فاسٹ ویل سے FBUS پروٹوکول کا ایک ورژن۔

مزید آفاقی حل بھی ہیں جو کسی مخصوص صنعت کار سے منسلک نہیں ہیں، جیسے EtherCAT اور CAN۔ ہم مضمون کے تسلسل میں ان پروٹوکولز کا تفصیل سے تجزیہ کریں گے اور یہ معلوم کریں گے کہ ان میں سے کون سے مخصوص ایپلی کیشنز کے لیے زیادہ موزوں ہیں: آٹوموٹو اور ایرو اسپیس انڈسٹریز، الیکٹرانکس مینوفیکچرنگ، پوزیشننگ سسٹمز اور روبوٹکس۔ رابطہ قائم رکھنا!

ماخذ: www.habr.com