رایانه کنترل صنعتی نوعی سیستم رایانه ای است که به طور خاص برای زمینه کنترل اتوماسیون صنعتی طراحی شده است که با کارایی بالا ، قابلیت اطمینان بالا ، در زمان واقعی و مقیاس پذیری مشخص می شود. در این مقاله معماری رایانه کنترل صنعتی به تفصیل ، از جمله ساختار سخت افزار ، ساختار نرم افزار ، پروتکل های ارتباطی ، استراتژی های کنترل و سایر جنبه ها معرفی شده است.
1. ساختار وسایل نقلیه
ساختار سخت افزاری رایانه کنترل صنعتی عمدتا شامل قسمتهای زیر است:
1.1 واحد پردازش مرکزی (CPU)
CPU مؤلفه اصلی رایانه کنترل صنعتی ، مسئول اجرای دستورالعمل های برنامه و پردازش داده ها است. رایانه های کنترل صنعتی معمولاً از پردازنده های با کارایی بالا و کم مصرف مانند ARM ، X {2}} و سایر معماری ها استفاده می کنند.
1.2 حافظه
حافظه شامل RAM (حافظه دسترسی تصادفی) و ROM (حافظه فقط خواندنی) ، از RAM برای ذخیره برنامه ها و داده ها استفاده می شود و از ROM برای ذخیره سیستم عامل سیستم و برنامه های راه اندازی استفاده می شود.
1.3 رابط ورودی/خروجی
رابط های ورودی/خروجی رابط هایی برای رایانه های کنترل صنعتی برای برقراری ارتباط با دستگاه های خارجی از جمله رابط های ورودی/خروجی دیجیتال ، رابط های ورودی/خروجی آنالوگ و رابط های ارتباطی هستند. از رابط ورودی/خروجی دیجیتال برای دریافت و ارسال سیگنال های سوئیچینگ استفاده می شود ، از رابط ورودی/خروجی آنالوگ برای دریافت و ارسال سیگنال های آنالوگ استفاده می شود و از رابط ارتباطی برای تبادل داده ها با سایر دستگاه ها استفاده می شود.
1.4 ماژول منبع تغذیه
ماژول منبع تغذیه منبع تغذیه پایدار را برای رایانه کنترل صنعتی فراهم می کند ، معمولاً با استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ یا منبع تغذیه خطی.
1.5 ماژول انبساط
رایانه های کنترل صنعتی معمولاً برای گسترش کارکردهای خود ، مانند ماژول های کنترل حرکت ، ماژول های پردازش تصویر و غیره ، ماژول های انبساط دارند.
1.6 سیستم حرارتی
از سیستم اتلاف گرما برای از بین بردن گرمای تولید شده توسط رایانه کنترل صنعتی برای اطمینان از عملکرد پایدار سیستم استفاده می شود.
2 ساختار نرم افزار
ساختار نرم افزاری یک کامپیوتر کنترل صنعتی از قسمت های اصلی زیر تشکیل شده است:
2.1 سیستم عامل
سیستم عامل نرم افزار اصلی رایانه کنترل صنعتی است که وظیفه مدیریت منابع سخت افزاری ، برنامه ریزی وظایف ، ارائه رابط های برنامه نویسی و غیره را بر عهده دارد. سیستم عامل های رایانه ای کنترل صنعتی مشترک Linux ، VxWorks ، QNX و غیره هستند.
2.2 سیستم عامل در زمان واقعی (RTOS)
سیستم عامل واقعی در زمان واقعی یک سیستم عامل ویژه با زمان واقعی ، قابلیت اطمینان بالا و سایر خصوصیات است که در زمینه کنترل صنعتی کاربرد دارد. سیستم عامل های رایج در زمان واقعی Freertos ، RT-Thread و غیره هستند.
2.3 زبان برنامه نویسی
رایانه های کنترل صنعتی معمولاً از انواع زبانهای برنامه نویسی مانند C ، C {0}} ، پایتون و غیره پشتیبانی می کنند تا نیازهای برنامه نویسی سناریوهای مختلف را برآورده کنند.
2.4 راننده
درایور پلی بین سیستم عامل و دستگاه های سخت افزاری است که وظیفه تحقق کنترل و مدیریت دستگاه های سخت افزاری را بر عهده دارد.
2.5 نرم افزار کاربردی
نرم افزار کاربردی نرم افزار رایانه کنترل صنعتی برای تحقق وظایف کنترل خاص ، از جمله نرم افزار برنامه نویسی PLC ، نرم افزار کنترل حرکت ، نرم افزار پردازش تصویر و غیره است.
3. پروتکل های ارتباطی
رایانه های کنترل صنعتی برای تبادل و کنترل داده ها باید با سایر دستگاه ها ارتباط برقرار کنند. پروتکل های ارتباطی مشترک عبارتند از:
3.1 پروتکل های ارتباطی سریال
پروتکل های ارتباطی سریال شامل RS -232 ، RS {1}} ، و غیره است که برای ارتباط با مسافت کوتاه و پایین مناسب هستند.
3.2 پروتکل های Fieldbus
پروتکل های FieldBus شامل Modbus ، Profibus ، Can و غیره است که برای برقراری ارتباط دستگاه ها در سایت های صنعتی مناسب است.
3.3 پروتکل های ارتباطی اترنت
پروتکل های ارتباطی اترنت شامل TCP/IP ، UDP و غیره هستند که برای ارتباطات با سرعت بالا و مسافت طولانی مناسب هستند.
3.4 پروتکل های ارتباطی بی سیم
پروتکل های ارتباطی بی سیم شامل Wi-Fi ، Bluetooth ، Zigbee و غیره است که برای سناریوهای ارتباطی بی سیم کاربرد دارد.
4. استراتژی کنترل
استراتژی کنترل یک کامپیوتر کنترل صنعتی از جنبه های اصلی زیر تشکیل شده است:
4.1 کنترل حلقه باز
کنترل حلقه باز بدان معنی است که کنترلر مستقیماً سیگنال ها را با توجه به سیگنال های ورودی بدون بازخورد سیگنال های خروجی واقعی کنترل می کند. کنترل حلقه باز ساده و کم هزینه است ، اما دقت کنترل کم است.
4.2 کنترل حلقه بسته
کنترل حلقه بسته به این معنی است که کنترلر سیگنال کنترل را با توجه به تفاوت بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی واقعی تنظیم می کند. کنترل حلقه بسته از دقت و ثبات کنترل بالایی برخوردار است.
4.3 کنترل PID
کنترل PID یک استراتژی کنترل حلقه بسته مشترک است ، که کنترل سیستم را از طریق سه پارامتر متناسب (P) ، انتگرال (I) و دیفرانسیل (D) تحقق می بخشد.
4.4 کنترل فازی
کنترل فازی یک استراتژی کنترل مبتنی بر منطق فازی برای سیستم هایی با عدم اطمینان و ابهام است.
4.5 کنترل شبکه عصبی
کنترل شبکه عصبی یک استراتژی کنترل مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی است که با توانایی خودآموزی و سازگاری مشخص می شود.
5. زمینه های کاربردی
رایانه های کنترل صنعتی به طور گسترده در زمینه های مختلف اتوماسیون صنعتی مانند:
5.1 ساخت
از رایانه های کنترل صنعتی در صنعت تولید برای تحقق کنترل خودکار خطوط تولید و بهبود راندمان تولید و کیفیت محصول استفاده می شود.
5.2 صنعت برق
از رایانه های کنترل صنعتی در صنعت برق برای تحقق نظارت و کنترل شبکه برق استفاده می شود تا از عملکرد پایدار شبکه برق اطمینان حاصل شود.
5.3 صنعت پتروشیمی
از رایانه های کنترل صنعتی در صنعت پتروشیمی برای تحقق نظارت و کنترل فرایند تولید ، بهبود کارایی تولید و ایمنی استفاده می شود.
5.4 صنعت حمل و نقل
از رایانه های کنترل صنعتی در صنعت حمل و نقل برای تحقق کنترل خودکار سیگنال های ترافیکی ، مترو و سایر تجهیزات استفاده می شود.