بناء إنترنت صناعي يتمتع بقدرات استشعار متقدمة وتحكم واتصالات في الوقت الفعلي

عند استخدام الإنترنت الصناعي لدمج البنية التحتية للمعلومات والأتمتة في المصانع والأنظمة الحديثة، تكون هناك حاجة إلى المرونة والتكامل والاستشعار الذكي والمزيد من ميزات الأمان الوظيفية.

في الروبوتات والتطبيقات الصناعية الأخرى، يمكن أن يؤدي استخدام التحكم الدقيق في الوقت الفعلي إلى تحقيق استهلاك أقل للطاقة وكفاءة أعلى. تلعب منتجات الاتصال اللاسلكي ومنتجات البروتوكولات المتعددة الخاصة بشركة TI دورًا مهمًا في التصنيع الذكي، والذي يمكنه تحقيق التفاعل بين العمال والروبوتات والعقبات الأخرى في المستودع.

من خلال سلسلة من تقنيات الاستشعار الدقيقة، يمكن لـ TI توفير وظائف معالجة الإشارات المتقدمة لتحقيق تحكم واتصال دقيقين في الوقت الفعلي. لا يمكن لدعم تكنولوجيا الاتصالات الصناعية لدينا، مثل IO Link وEtherCAT، تحسين قابلية التوسع فحسب، بل يساعد أيضًا في تبسيط الانتقال إلى أنظمة الإنتاج الذكية والتصنيع الذكي.

من أجل الحفاظ على القدرة التنافسية والنمو، تميل العديد من الشركات بشكل متزايد إلى تحقيق أقصى قدر من كفاءة العمل ووفورات الحجم والجودة من خلال الأتمتة الصناعية المتقدمة. إن العالم المترابط بشكل متزايد سوف يربط حتما المصانع وورش العمل. يجب توصيل واجهة الآلة البشرية (HMI)، ووحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، والتحكم في المحركات وأجهزة الاستشعار بطريقة قابلة للتطوير وفعالة.

في الماضي، كان يتم التحكم في العديد من المكونات الصناعية بواسطة CAN وModbus ®، PROFIBUS ® Connect مع بروتوكولات ناقل المجال التسلسلي المختلفة مثل CC Link. في السنوات الأخيرة، أصبحت شبكة Ethernet الصناعية ذات شعبية متزايدة، وأصبحت تطبيقاتها منتشرة في كل مكان. مع زيادة السرعة، تم توسيع مسافة الاتصال، ويمكن توصيل المزيد من العقد. نظرًا لاختلاف الشركات المصنعة للمعدات الصناعية، تتنافس العديد من بروتوكولات Ethernet الصناعية المختلفة. تتضمن هذه البروتوكولات EtherCAT وPROFINET وEtherNet/IP وSercos. تحظى الشبكة الحساسة للوقت (TSN) أيضًا بشعبية متزايدة في مجال اتصالات Ethernet الصناعية. في هذه المقالة، سنناقش بالتفصيل بروتوكولات Ethernet الصناعية المتعددة والطلب المتزايد على الأنظمة الأساسية للأجهزة والبرامج الموحدة التي تدعم معايير متعددة وتوفر ميزات حتمية ومنخفضة الكمون في الوقت الحقيقي المطلوبة للاتصالات الصناعية.

إن تحقيق الأتمتة الصناعية يتطلب أربعة مكونات رئيسية، بما في ذلك جهاز التحكم PLC، لوحة HMI، المحرك الصناعي والمستشعر.

جهاز التحكم PLC هو عقل نظام الأتمتة الصناعية. إنه يوفر التحكم في التتابع، والتحكم في الحركة، والتحكم في معالجة المدخلات والمخرجات الصناعية، ووظائف التحكم في النظام الموزع والشبكات. غالبًا ما يحتاج PLC إلى العمل في ظل ظروف بيئية قاسية، وتحمل الظروف الساخنة والباردة والرطبة والاهتزاز وغيرها من الظروف القاسية، وتوفير وظائف تحكم دقيقة وحتمية وفي الوقت الحقيقي لأجزاء أخرى من نظام الأتمتة الصناعية من خلال روابط اتصال موثوقة.

HMI هي واجهة مستخدم رسومية للتحكم الصناعي. يمكن أن يوفر واجهة إدخال الأوامر وإخراج الملاحظات للتحكم في الآلات الصناعية. يتم توصيل HMI بأجزاء أخرى من النظام الصناعي عبر رابط اتصال مشترك.

المحركات الصناعية هي وحدات تحكم في المحركات لتشغيل المحرك بشكل مثالي. يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية المختلفة ويمكن أن تدعم مجموعة متنوعة من مستويات استهلاك الجهد والطاقة. تشتمل محركات الأقراص الصناعية، على سبيل المثال لا الحصر، على محركات التيار المتردد والتيار المستمر ومحركات الأقراص المؤازرة التي تستخدم أنظمة التغذية المرتدة للمحرك للتحكم وضبط سلوك وأداء آليات المؤازرة.

أجهزة الاستشعار هي أيدي وأقدام أنظمة الأتمتة الصناعية، والتي يمكنها مراقبة حالة التشغيل الصناعي والتفتيش والقياس في الوقت الحقيقي. إنها جزء لا غنى عنه من أنظمة الأتمتة الصناعية ويمكن أن توفر نقاط تشغيل وملاحظات للتحكم في النظام. لبناء نظام إنتاج آلي فعال من خلال المكونات الصناعية، لا غنى عن التواصل الفعال. يوضح المثال في الشكل 1 المبدأ القائل بأن جميع العناصر تعمل معًا من خلال رابط اتصال.

في الماضي، كان الناس يقومون بالاتصالات الصناعية على واجهات تسلسلية، والتي تم إنشاؤها في البداية من قبل شركات مختلفة وأصبحت فيما بعد معايير، لذلك ظهرت العديد من المعايير المختلفة في السوق. نظرًا لأن هذه المعايير مدعومة من قبل المؤسسات الكبيرة، تحتاج شركات معدات الأتمتة الصناعية إلى تنفيذ بروتوكولات متعددة في النظام الصناعي. نظرًا لدورة الحياة الطويلة للأنظمة الصناعية، بما في ذلك PROFIBUS ® وCAN bus وModbus ® وCC Link ®، لا تزال العديد من البروتوكولات التسلسلية بما في ذلك التكوين الرئيسي والتابع تحظى بشعبية كبيرة.

PROFIBUS هي تقنية ناقل ميداني أكثر نجاحًا في العالم، ويتم نشرها على نطاق واسع في أنظمة الأتمتة الصناعية بما في ذلك أتمتة المصانع والعمليات. يوفر PROFIBUS اتصالاً رقميًا للعملية والبيانات المساعدة بسرعات تصل إلى 12 ميجابت في الثانية ويدعم ما يصل إلى 126 عنوانًا.

ناقل شبكة منطقة التحكم (CAN) عبارة عن نظام ناقل تسلسلي متكامل للغاية. تم إنشاؤها في البداية كحافلة مركبة أوتوماتيكية، وأصبحت فيما بعد حافلة ميدانية للأتمتة الصناعية. يمكنه توفير طبقة مادية وطبقة ربط بيانات للاتصال التسلسلي، بسرعة تصل إلى 1 ميجابت في الثانية. يعد CANopen ® وDeviceNet بروتوكولات موحدة ذات مستوى أعلى أعلى من ناقل CAN، والتي يمكنها تحقيق إمكانية التشغيل البيني مع الأجهزة الموجودة في نفس الشبكة الصناعية. يدعم CANopen 127 عقدة في الشبكة، بينما يدعم DeviceNet 64 عقدة في نفس الشبكة.

Modbus عبارة عن حافلة تسلسلية بسيطة وقوية. يتم إصداره علنًا بدون رسوم براءات الاختراع. يمكن توصيل ما يصل إلى 247 عقدة في الرابط. يتميز Modbus بسهولة التنفيذ ويعمل على الروابط المادية RS-232 أو RS-485 بسرعات تصل إلى 115 كيلو بايت. تم تطوير CC Link في الأصل بواسطة شركة Mitsubishi، وهو بروتوكول شبكة صناعية ذو بنية مفتوحة مشهور في اليابان وآسيا. يعتمد CC Link على RS-485 ويمكنه توصيل ما يصل إلى 64 عقدة في نفس الشبكة بسرعة تصل إلى 10 ميجابت في الثانية.

تتميز شبكة Ethernet بأنها موجودة في كل مكان وفعالة من حيث التكلفة، مع وجود روابط مادية مشتركة وسرعات أعلى. ولهذا السبب، يتم نقل مجموعة متنوعة من بروتوكولات الاتصالات الصناعية إلى الحلول القائمة على شبكة إيثرنت. عادةً ما يكون اتصال Ethernet الذي يدعم TCP/IP غير مؤكد، ويكون وقت الاستجابة عادةً حوالي 100 مللي ثانية. تستخدم بروتوكولات Ethernet الصناعية طبقة معدلة للتحكم في الوصول المتوسط (MAC) لتحقيق زمن استجابة منخفض جدًا واستجابة حتمية. تتيح شبكة Ethernet أيضًا للنظام الحصول على طوبولوجيا شبكة مرنة وعدد مرن من العقد. دعونا نتعلم المزيد عن بعض بروتوكولات اتصالات Ethernet الصناعية الشائعة.

تم تطوير EtherCAT في الأصل بواسطة Beckhoff لدعم معالجة الحزم عالية السرعة وتوفير Ethernet في الوقت الفعلي لتطبيقات التشغيل الآلي. كما أنه يوفر اتصالات قابلة للتطوير لنظام التشغيل الآلي بأكمله بدءًا من PLC الكبير وحتى مستويات الإدخال / الإخراج وأجهزة الاستشعار. EtherCAT هو بروتوكول مُحسّن لبيانات العملية، باستخدام إطارات IEEE 802.3 Ethernet القياسية. ستقوم كل عقدة تابعة بمعالجة برقية البيانات وإدراج بيانات جديدة في الإطار مع مرور كل إطار. تتم معالجة هذه العملية في الأجهزة، لذلك تحتاج كل عقدة إلى الحد الأدنى من تأخير المعالجة، مما يمكن أن يحقق وقت استجابة قصيرًا للغاية. EtherCAT هو بروتوكول طبقة MAC، وهو شفاف لأي بروتوكول إيثرنت ذي مستوى أعلى مثل TCP/IP، وUDP، وخادم الويب، وما إلى ذلك. يمكن لـ EtherCAT توصيل ما يصل إلى 65535 عقدة في النظام، بينما يمكن أن يكون EtherCAT الرئيسي وحدة تحكم Ethernet قياسية وتبسيط تكوين الشبكة. تتمتع كل عقدة تابعة بزمن وصول منخفض، لذلك يمكن لـ EtherCAT توفير حل إيثرنت صناعي مرن ومنخفض التكلفة ومتوافق مع الشبكة.

EtherNet/IP هو بروتوكول إيثرنت صناعي تم تطويره في الأصل بواسطة Rockwell. على عكس EtherCAT، وهو بروتوكول طبقة MAC، فإن EtherNet/IP هو بروتوكول طبقة تطبيق عبر TCP/IP. يستخدم EtherNet/IP طبقة Ethernet المادية القياسية، وطبقة ارتباط البيانات، وطبقة الشبكة، وطبقة النقل، ويستخدم البروتوكول الصناعي المشترك (CIP) عبر TCP/IP. يوفر CIP مجموعة من الرسائل والخدمات العامة لأنظمة التحكم في الأتمتة الصناعية، والتي يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من الوسائط المادية. على سبيل المثال، يسمى CIP على ناقل CAN DeviceNet، ويسمى CIP على الشبكة الخاصة ControlNet، ويسمى CIP على Ethernet EtherNet/IP.

يقوم EtherNet/IP بإنشاء اتصال من عقدة تطبيق إلى أخرى من خلال اتصال TCP واحد واتصالات CIP متعددة. يمكن إنشاء اتصالات CIP متعددة من خلال اتصال TCP واحد. يستخدم EtherNet/IP شبكة EtherNet ومحولات قياسية، لذا فهو يحتوي على عدد غير محدود من العقد في النظام. وبهذه الطريقة، يمكن نشر الشبكة عبر نقاط نهاية مختلفة متعددة في أرضية المصنع. توفر EtherNet/IP خدمات كاملة للمستهلكين المنتجين، ويمكنها تحقيق اتصال نظير إلى نظير فعال للغاية بين المحطات التابعة. يتوافق EtherNet/IP مع العديد من بروتوكولات الإنترنت والإيثرنت القياسية، ولكن وظائفه الحتمية في الوقت الفعلي محدودة.

PROFINET عبارة عن شبكة إيثرنت صناعية تستخدم على نطاق واسع من قبل الشركات المصنعة للمعدات الصناعية الكبرى مثل Siemens وGE. لديها ثلاث فئات مختلفة. يمكن لفئة PROFINETA الوصول إلى شبكة PROFIBUS من خلال الوكيل، وجسر Ethernet وPROFIBUS من خلال استدعاء الإجراء عن بعد عبر TCP/IP. يبلغ وقت الدورة حوالي 100 مللي ثانية، ويستخدم بشكل أساسي لبيانات المعلمات والإدخال/الإخراج الدوري. وتشمل التطبيقات النموذجية البنية التحتية وأتمتة البناء. PROFINET الفئة B، والمعروفة أيضًا باسم PROFINET في الوقت الحقيقي (PROFINET RT)، تقدم طريقة في الوقت الفعلي تعتمد على البرامج وتقلل من وقت الدورة إلى حوالي 10 مللي ثانية. تُستخدم الفئة B عادةً لأتمتة المصانع وأتمتة العمليات. PROFINET Class C (PROFINET IRT) هو إرسال متزامن في الوقت الفعلي، والذي يتطلب أجهزة خاصة لتقليل وقت الدورة إلى أقل من 1 مللي ثانية، وذلك لتوفير الأداء المطلوب لعملية التحكم في الحركة في شبكة إيثرنت الصناعية في الوقت الفعلي.

يمكن استخدام PROFINET RT لتطبيقات من نوع PLC، في حين أن PROFINET IRT مناسب جدًا للتطبيقات الرياضية. الفروع والنجوم هي طبولوجيا شائعة في PROFINET. إذا كنت ترغب في جعل شبكة PROFINET تحقق الأداء المطلوب للنظام، فأنت بحاجة إلى تنفيذ تخطيط الهيكل بعناية.

تم تطوير POWERLINK في الأصل بواسطة B&R. تم اعتماد Ethernet POWERLINK على IEEE 802.3، لذلك يمكن اختيار هيكل الشبكة والاتصال المتقاطع والمكونات الساخنة بحرية. ويستخدم آليات الاقتراع وتقسيم الوقت لتحقيق تبادل البيانات في الوقت الحقيقي. تتحكم محطة POWERLINK الرئيسية أو "العقدة المُدارة" في مزامنة الوقت خلال عشرات النانو ثانية من خلال ارتعاش الحزمة. ينطبق هذا النوع من النظام على أنظمة التشغيل الآلي المختلفة التي تتراوح من الاتصالات والتصور PLC إلى PLC إلى الحركة والتحكم في الإدخال / الإخراج. يتوفر برنامج مكدس مفتوح المصدر، لذلك توجد عقبات قليلة أمام تنفيذ POWERLINK. بالإضافة إلى ذلك، يعد CANopen مكونًا قياسيًا، مما يجعل من السهل ترقية النظام من بروتوكول fieldbus السابق. Sercos III هو الجيل الثالث من نظام الاتصالات التسلسلية في الوقت الحقيقي (Sercos). فهو يجمع بين إمكانات معالجة الحزم عالية السرعة لتوفير شبكة إيثرنت في الوقت الفعلي واتصالات TCP/IP القياسية لبناء شبكة إيثرنت صناعية منخفضة زمن الوصول.

تمامًا مثل EtherCAT، تتم معالجة حزم البيانات من Sercos III عن طريق استخراج البيانات بسرعة وإدراجها في إطارات Ethernet لتحقيق زمن انتقال منخفض. يقوم Sercos III بتقسيم بيانات الإدخال وبيانات الإخراج إلى إطارين. يبدأ وقت الدورة من 31.25 ميكروثانية، وهو أسرع من EtherCAT وPROFINET IRT. يدعم Sercos III طوبولوجيا الحلقة أو الخط. الميزة الرئيسية لاستخدام طوبولوجيا الحلقة هي تكرار الاتصالات. حتى إذا تم كسر الحلقة بسبب فشل العقدة التابعة، فلا يزال بإمكان جميع العقد التابعة الأخرى الحصول على إطارات Sercos III التي تحتوي على بيانات الإدخال/الإخراج. يمكن أن يحتوي Sercos III على 511 عقدة تابعة في الشبكة، تُستخدم بشكل أساسي للتحكم في برنامج التشغيل المؤازر.

الشبكة الحساسة للوقت (TSN) هي امتداد لشبكة إيثرنت التي حددها معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، بهدف جعل الشبكة القائمة على إيثرنت أكثر حتمية. TSN هو حل على مستوى الشبكة المحلية (LAN) يمكنه العمل مع شبكة غير تابعة لـ TSN Ethernet، ولكن لا يمكن ضمان التوقيت المناسب إلا داخل شبكة TSN LAN. يمكنك تجميع معايير TSN وفقًا لحالات الاستخدام التي تم حلها بواسطة TSN: عرض الوقت العام، أو التأخير الكبير المضمون، أو التعايش مع حركة مرور الخلفية أو حركة مرور أخرى. كما هو الحال مع أي معيار شائع، فإن صندوق الأدوات القياسي الخاص بـ TSN يتطور أيضًا.

من أجل تمكين الشركات المصنعة للمعدات الصناعية من تنفيذ بروتوكولات الاتصالات الصناعية المختلفة بطريقة اقتصادية ومرنة، قامت شركة Texas Instruments (TI) بدمج نظام فرعي للاتصالات الصناعية في الوقت الحقيقي قابل للبرمجة بزمن وصول منخفض (PRU-ICSS) على مجموعة متنوعة من الأجهزة الموجودة على الرقاقة أنظمة. بالمقارنة مع FPGA وASIC وحلول النسخ الاحتياطي الأخرى، يمكن لـ PRU-ICSS توفير حلول مرنة أكثر فعالية من حيث التكلفة وموجهة نحو المستقبل للاتصالات الصناعية. من خلال دمج PRU-ICSS في شريحة واحدة، تساعد منصة الأجهزة المرنة لشركة TI الشركات المصنعة على إنشاء أنظمة أتمتة صناعية قابلة للبرمجة وأكثر فعالية من حيث التكلفة وحتمية وكفاءة.

إننا في بداية الثورة الصناعية الرابعة، وسوف تصبح الأتمتة الصناعية مرة أخرى عاملا محركا للتنمية الاقتصادية. يعتمد نجاح الأتمتة الصناعية على شبكات اتصالات موثوقة وفعالة تربط جميع أجزاء المصنع من أجل التشغيل الفعال. ستستمر شعبية شبكة Ethernet وإمكانية تطبيقها في تحفيز المصانع التقليدية للترقية إلى شبكة Ethernet الصناعية.

تم تنفيذ العديد من بروتوكولات Ethernet الصناعية المختلفة في الموقع، ولكل بروتوكول مزاياه وعيوبه. في المستقبل، ستستمر بروتوكولات Ethernet الصناعية في التطوير والتكامل لإنشاء رابط اتصال محدد ومستقر في الوقت الفعلي مع موثوقية أعلى وأمان متكامل. تتطلب Ethernet أيضًا منصة عامة للأجهزة قابلة للبرمجة، مثل Sitara مع PRU-ICSS المتكامل الذي قدمته شركة Texas Instruments (TI) ™ Processor لبناء أنظمة مرنة منخفضة التكلفة. ويدعم النظام التنفيذ التطلعي لبروتوكولات متعددة وبروتوكولات جديدة، ويمكن أن يوفر محرك اتصالات صناعي للأتمتة الصناعية.