در زمینه های به سرعت در حال تحول اتوماسیون، تولید و کنترل فرآیند، سیستم های حلقه بسته ستون فقرات عملیات دقیق، از تنظیم واکنش های شیمیایی در گیاهان دارویی برای حفظ موقعیت بازوی رباتیک در خطوط مونتاژ خودرو تشکیل می دهند، عملکرد این سیستم ها به طور مداوم، قابل اعتماد از داده های بین سنسورها، کنترل کننده ها، و رابط های انسانی- ماشین آلات سازگار است.

سیستم های حلقه بسته

یک سیستم حلقه بسته، که به عنوان یک سیستم کنترل بازخورد نیز شناخته می شود، به طور مداوم خروجی واقعی یک فرآیند را در برابر یک نقطه دلخواه مقایسه می کند و ورودی ها را برای به حداقل رساندن هر خطا تنظیم می کند.این مکانیسم اصلاح مبتنی بر خطا، تنظیم خودکار متغیرهای مانند دما، فشار، سرعت، یا موقعیت، با حداقل مداخله انسانی، به عنوان مثال، ترموستات در یک سیستم کنترل آب و هوا، کنترل حرکت، و یا مقایسه کیفیت بسته، کنترل، و یا حفظ کیفیت هدف، تنظیم تنظیم سرعت، و یا موقعیت، تنظیم شده است.

معماری بنیادی یک سیستم حلقه بسته شامل سنسوری است که خروجی را اندازه گیری می کند، کنترل کننده ای که سیگنال خطا را پردازش می کند و یک اصلاح را محاسبه می کند، و یک محرک جریان که اصلاحات را به فرآیند اعمال می کند، حلقه بازخورد خود ممکن است آنالوگ یا دیجیتال، سیم کشی یا بی سیم باشد و می تواند شامل لایه های متعدد از سلسله مراتب کنترل، از PID ساده (پروفایل های پیشرفته) باشد.

Interoperability در سیستم های حلقه بسته بدان معنی است که یک سنسور از یک برند می تواند داده های اندازه گیری را به یک کنترل کننده از یک برند دیگر ارسال کند و کنترل کننده می تواند دستورات را به یک محرک از یک برند سوم صادر کند، همه بدون نیاز به سخت افزار سفارشی یا مترجمان نرم افزار، این سازگاری باعث کاهش تلاش مهندسی، ساده سازی مدیریت قطعات یدکی، و فعال کردن ارتقاء های افزایشی می شود.

اهمیت استانداردهای متقابل

استانداردهای متقابل قابلیت تعریف قوانین، فرمت های داده و پروتکل های ارتباطی که اجازه می دهد دستگاه ها و سیستم ها به تبادل اطلاعات و استفاده از آن اطلاعات به طور موثر.در برنامه های حلقه بسته، این استانداردها به لایه های متعدد: اتصال فیزیکی (خش کننده، کانکتور)، رمزگذاری داده ها (چگونه یک ارزش دما نشان داده می شود)، پیام های معنایی (چه دستور مانند "تنظیم به 50 درجه سانتیگراد" ابزار)، و حتی مکانیسم های ورودی بالاتر و توسعه دهنده، سرعت در سیستم های باز، سرعت بخشیدن به پایین آوردن، راه حل های سیستم های غیر پروبیوتیک، و غیر قابل شناسایی، سرعت، سیستم های سیستم های سیستم های غیر قابل شناسایی، پیام های سیستم های سیستم های سیستم های غیر قابل شناسایی، پیام های سیستم های غیر قابل شناسایی، پیام های سیستم های سیستم های غیر قابل شناسایی، پیام های غیر قابل شناسایی، پیام های غیر قابل شناسایی، پیام های جدید.

قابلیت سازگاری در سراسر اجزای Diverse

یکی از فوری ترین مزایای استانداردهای همکاری توانایی ترکیب و مطابقت اجزای از تامین کنندگان مختلف است، به عنوان مثال، یک فرستنده فشار که مطابق با استاندارد IO-Link می تواند به PLC از هر سازنده اصلی که از IO-Link پشتیبانی می کند، ارائه داده های کالیبراسیون دیجیتال، تشخیص، و مقادیر فرآیند از طریق یک رابط مشترک، به طور مشابه، OPC شکست (یک سیستم عامل اتصال یکپارچه) برای کاهش نرم افزار یا سیستم عامل های کنترل نرم افزار دسترسی به نرم افزار محدود می دهد.

در کنترل حلقه بسته، تاخیر و تعیین کننده اغلب مهم است. استانداردها مانند EtherCAT و PROFINET ارتباطات با سرعت بالا، تعیین کننده را فراهم می کنند که اطمینان می دهد داده های سنسور و دستورات محرک در محدودیت های زمانی دقیق مبادله می شوند.با بهره برداری از این استانداردها، طراحان سیستم می توانند تضمین کنند که زمان بستن حلقه قابل پیش بینی و مستقل از نام تجاری خاص است.

تسهیل تبادل داده قابل اعتماد و دقیق

تبادل دقیق داده ها، خون حیاتی کنترل بازخورد است. استانداردهای تداخل پذیری اطمینان حاصل می کند که مقادیر عددی (به عنوان مثال، دما در درجه سانتیگراد)، واحدها، عوامل مقیاس پذیری و انواع داده ها به طور مداوم در تمام دستگاه ها تفسیر می شوند، این سازگاری مانع از تفسیر نادرست ارزش های سنسور یا تفسیر نادرست محدوده های فرمان می شود که می تواند منجر به عملیات ناامن یا ناکارآمد شود، مثال استاندارد برای کد گذاری کد گذاری های معمولی (مانند کنترل کلمات کلیدی، و روش های مختلف) و کنترل فایل های مختلف، به عنوان مثال استاندارد پردازش فایل های کامپیوتری، به عنوان یک روش های مختلف کد گذاری شده است.

علاوه بر این، بسیاری از استانداردهای مدرن شامل مکانیسم های داخلی برای کیفیت داده ها، زمان بندی و اطلاعات وضعیت است.به عنوان مثال، OPC UA نه تنها ارزش های فرآیند را افشا می کنند بلکه همچنین متاداده هایی در مورد سلامت سنسور، کالیبراسیون تاریخ و حالت های شبیه سازی را نیز در اختیار دارند.این اطلاعات غنی اجازه می دهد تا کنترل کننده تصمیم های بهتری بگیرد - مانند تعویض سنسور اگر اولین خطا وارد یک حالت شود - حلقه قوی بسته شدن.

کاهش تلاش های ادغام و هزینه کل مالکیت

هنگامی که استانداردهای همکاری از ابتدا استفاده می شود، ادغام سیستم ساده تر می شود. مهندسان می توانند به محرک های پیش آزمایش شده، رانندگان گواهی و پروفایل های پیکربندی تکیه کنند، به جای نوشتن کد سفارشی برای هر ترکیب از دستگاه ها، این باعث کاهش ساعت های مهندسی، سرعت کمیسیون، و ساده سازی توسعه سیستم های آینده یا ارتقاء، امکانات با لایه های ارتباطی استاندارد شده با هزینه های کل مالکیت، به کل واحد کنترل می رسند، زیرا آنها نمی توانند جایگزین یک جزء کنترل جدید شوند.

استاندارد های کلیدی Interoperability برای سیستم های حلقه بسته

استانداردهای متعددی در سراسر بخش های صنعتی به طور گسترده ای تصویب شده اند، هر کدام از آنها نیازهای ارتباطی خاصی را ارائه می دهند – از سطح I/O گرفته تا ادغام داده های گسترده شرکت ها. درک نقش های آنها به طراحان سیستم کمک می کند تا مجموعه مناسب برای برنامه های حلقه بسته خود را انتخاب کنند.

OPC UA (معماری یکپارچه)

OPC UA، که توسط بنیاد OPC توسعه یافته است، یک پروتکل ارتباطی ماشین به ماشین است که مدل سازی داده ها، امنیت و قابلیت های حمل و نقل را بر خلاف مدل های سلف خود (OPC Classic)، OPC UA مستقل از پلت فرم است و می تواند بر همه چیز از کنترل های جاسازی شده به سرورهای ابر اجرا کند، از الگوهای مشتری و حلقه (PubSub) پشتیبانی می کند، که آن را برای مشخصات اتصال واقعی به عنوان دستگاه های کنترل مانند دستگاه های یکپارچه سازی اطلاعات تنظیم می کند.

اتر CAT (Ethernet for Control Automation Technology)

EtherCAT یک میدان فوق سریع مبتنی بر اترنت است که برای برنامه های سخت زمان واقعی طراحی شده است.این با پردازش داده های روی پرواز به عنوان آن را از طریق هر دستگاه عبور می کند، این عملکرد ایده آل برای حلقه های بسته با سرعت بالا مانند کنترل حرکت در بسته بندی، چاپ و عملیات اتر است.CAT توسط تکنولوژی حفظ شده و تنظیم شده است، بازخوردهای شبکه ای که می تواند به عنوان واحد انتقال دهنده های مختلف، و باز کردن، اطمینان از ماژول های مختلف، پشتیبانی کند.

PROFINET و PROFIBUS

PROFINET یکی دیگر از استاندارد های اترنت صنعتی به طور گسترده ای پذیرفته شده (IEC 61158 و IEC 67.14) است که از هر دو زمان واقعی (RT) پشتیبانی می کند و ارتباطات واقعی (IRT) زمان واقعی (IRT) آن معمولا در اتوماسیون خودرو و کارخانه برای هماهنگ سازی چندین محور یا ادغام توابع ایمنی از طریق PROFIsafe.FIBUS، سری آن، پیش از آن، در صنایع یکپارچه مانند DCI، به طور مشترک و اجزای مختلف از طریق اتصال از طریق بسیاری از طریق اپراتورهای DCIRO استفاده می شود.

IO-Link یک استاندارد ارتباطی نقطه به نقطه است که حسگرها و محرک ها را به یک دستگاه کارشناسی (اغلب PLC یا IO-Link Hub) متصل می کند و با استفاده از یک کابل استاندارد سه سیمی، ارتباط دیجیتال را در کنار سیگنال های سوئیچ سنتی، فعال سازی پارامتر، تشخیص و شناسایی دستگاه ها، IO-Link به ویژه در حلقه های بسته که در آن نیاز به پیکربندی داده ها دارند (کنترل کننده داده ها) که می تواند از طریق ذخیره سازی داده ها اطمینان حاصل کند.

IEC 61131-3

در حالی که در درجه اول یک استاندارد زبان برنامه نویسی، IEC 61131-3 نقش مهمی در منطق کنترل یکپارچه ایفا می کند.این پنج زبان برنامه نویسی (Ladder Diagram، تابع Block Dialoop، متن ساختار، فهرست آموزش و استفاده مجدد از الگوریتم های بسته شده توسط بک-Res) را تعریف می کند که در سراسر PLC ها از تقریبا تمام تولید کنندگان اصلی استفاده می شود.A Control Algorithm نوشته شده در متن متن برای یک رابط کاربری مشترک می تواند به سرعت قفل یا تغییرات پورت باز کند.

استانداردهای اضافی مانند MQTT برای پیام رسانی سبک IoT و Modbus TCP برای اتصال دستگاه میراث نیز در زمینه های حلقه بسته ظاهر می شوند، اگرچه ممکن است نیاز به مراقبت اضافی برای زمان تعیین کننده داشته باشند. مخلوط مناسب بستگی به الزامات خاص درخواست برای سرعت، تعیین کننده، امنیت و سازگاری اکوسیستم دارد.

چالش های دستیابی به Interoperability

علی رغم مزایای روشن، اجرای استانداردهای همکاری در سیستم های حلقه بسته بدون موانع نیست.یک مانع قابل توجه، شیوع تجهیزات میراث است که از پروتکل های اختصاصی از یک دوره قبل از استانداردهای باز استفاده می کند، به طوری که سیستم های سازگار با آن ها ممکن است گران باشند و ممکن است نیاز به مبدل پروتکل یا حتی تعویض کامل کنترل کننده داشته باشند، که برخی از امکانات برای انجام هزینه های تولید خرابی، حتی اگر آنها وجود داشته باشند، وجود دارد، به طور کامل آنها را پشتیبانی نمی کنند.

چالش دیگر نیاز به برقراری ارتباط با ثبات و کم در حلقه های بسته با سرعت بالا است، برخی استانداردها (مانند MQTT یا HTTP عمومی) برای ارتباطات انعطاف پذیر، ابر گرا طراحی شده اند، به جای کنترل سخت زمان واقعی، استفاده از آنها در حلقه ای که نیاز به چرخه تحت یک میلی ثانیه می تواند تشخیص داده های دیتر یا حذف را معرفی کند، باعث می شود معماران سیستم بی ثباتی به دقت باید با توجه به ویژگی های امنیتی قوی (بدون نیاز به عنوان ویژگی های امنیتی بیشتر، به عنوان نگرانی های امنیتی متصل شده است.

قفل فروشنده نیز ادامه دارد، زیرا برخی از تولید کنندگان افزایش در بالای استانداردهای را ارائه می دهند که تنها با محصولات خود کار می کنند.به عنوان مثال، یک درایو ممکن است از استانداردFIN PROET پشتیبانی کند، اما پارامترهای تنظیم پیشرفته آن تنها از طریق یک ابزار اختصاصی قابل دسترس است، این یک منطقه خاکستری از قابلیت همکاری جزئی ایجاد می کند که می تواند سیستم را پیچیده کند یا پیکربندی چند نفره را با چالش های اجرای استاندارد، و تنظیم کننده های دستگاه های نهایی، و انطباق با کاربران، و تطبیق دهد.

مسیر های آینده و روند صنعت

مسیر استانداردهای همکاری در سیستم های حلقه بسته توسط روند گسترده تر در صنعت 4.0، اینترنت صنعتی چیزها (IIoT)، و دیجیتال سازی شکل می گیرد. یکی از توسعه های عمده همگرایی فناوری اطلاعات (IT) و تکنولوژی عملیاتی (OT) استانداردهای اتصال سریع تر و تجزیه و تحلیل های شبکه های TSN را امکان می دهد.

یکی دیگر از روند در حال ظهور استفاده از مدل های اطلاعاتی استاندارد است، گاهی اوقات به نام پوسته های مدیریت دارایی (99) یا دوقلوهای دیجیتال، که کل چرخه عمر یک دستگاه را شامل می شود - خاص، پیکربندی، عملکرد تاریخی و حتی مدل های شبیه سازی. [1] این مدل ها را برای یک کنترل کننده حلقه بسته آسان تر می کند: 6LT برای جلوگیری از قابلیت های دستگاه و سلامت، انطباق استراتژی کنترل آن بر اساس، به عنوان مثال، یک پمپ دیجیتال با یک رابط استاندارد IEC (O بارگیری شده است.

محاسبات Edge و هوش مصنوعی نیز بر قابلیت همکاری با دستگاه های Edge تأثیر می گذارند که داده های جمع آوری شده از چندین حلقه بسته می تواند یادگیری ماشین را برای تشخیص ناهنجاری ها یا پیش بینی نیازهای تعمیر و نگهداری مورد استفاده قرار دهد.برای این سیستم ها باید قابلیت استفاده بالا را داشته باشند، داده های بار از انواع سنسورها و کنترل کنندگان، که دوباره به استانداردهای همکاری وابسته هستند، به این طرح استاندارد اتصال دهنده اتصال (FLT) و نحوه اتصال داده های سطح اتصال:

در نهایت، استانداردهای امنیت سایبری به چارچوب های همکاری یکپارچه می شوند. سری IEC 62443 مجموعه ای جامع از استانداردها را برای اتوماسیون صنعتی و امنیت سیستم کنترل فراهم می کند.دستگاه های Interoper نه تنها باید به طور موثر ارتباط برقرار کنند بلکه همچنین یکدیگر را معتبر کنند، داده ها را رمزگذاری می کنند و به حوادث امنیتی به شیوه ای هماهنگ پاسخ می دهند.

در نتیجه، استانداردهای همکاری برای سیستم های حلقه بسته مدرن پایه ای هستند.آنها سازگاری چند جانبه را فعال می کنند، هزینه های ادغام را کاهش می دهند، قابلیت اطمینان داده ها را بهبود می بخشند و راه را برای قابلیت های پیشرفته مانند دوقلوها و تجزیه و تحلیل های دیجیتال هموار می کنند، در حالی که چالش هایی مانند ادغام میراث، محدودیت های عملکردی و امنیت باقی می ماند، تحولات مداوم در TSN، مدل سازی معنایی و امنیت سایبری به طور پیوسته در حال گسترش آنچه برای مهندسان تصمیم گیری و انعطاف پذیری طولانی مدت امکان پذیر است، نه تنها در یک فرآیند کنترل استراتژیک آن است، و کنترل استراتژیک آن است، تضمین می کند.