يعد جهاز الكمبيوتر الصناعي نوعًا من نظام الكمبيوتر المصمم خصيصًا لمجال التحكم في الأتمتة الصناعية ، والذي يتميز بالأداء العالي والموثوقية العالية والوقت الفعلي وقابلية التوسع. ستقدم هذه الورقة بنية كمبيوتر التحكم الصناعي بالتفصيل ، بما في ذلك بنية الأجهزة ، وهيكل البرمجيات ، وبروتوكولات الاتصال ، واستراتيجيات التحكم والجوانب الأخرى.
1. هيكل hardware
يتضمن هيكل أجهزة الكمبيوتر الصناعي بشكل أساسي الأجزاء التالية:
1.1 وحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية)
وحدة المعالجة المركزية هي المكون الأساسي للكمبيوتر التحكم الصناعي ، المسؤول عن تنفيذ تعليمات البرنامج ومعالجة البيانات. تستخدم أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية عادةً معالجات عالية الأداء ، منخفضة الطاقة ، مثل ARM و X 86 وغيرها من البنية.
1.2 الذاكرة
تتضمن الذاكرة ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي) و ROM (الذاكرة للقراءة فقط) ، ويتم استخدام RAM لتخزين البرامج والبيانات ، ويتم استخدام ROM لتخزين البرامج الثابتة للنظام وبرامج بدء التشغيل.
1.3 واجهة الإدخال/الإخراج
واجهات الإدخال/الإخراج هي واجهات لأجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية للتواصل مع الأجهزة الخارجية ، بما في ذلك واجهات الإدخال/الإخراج الرقمية ، وواجهات الإدخال/الإخراج التناظرية ، وواجهات الاتصال. يتم استخدام واجهة الإدخال/الإخراج الرقمية لتلقي وإرسال إشارات التبديل ، ويتم استخدام واجهة الإدخال/الإخراج التناظرية لتلقي وإرسال إشارات تمثيلية ، ويتم استخدام واجهة الاتصال لتبادل البيانات مع الأجهزة الأخرى.
1.4 وحدة تزويد الطاقة
توفر وحدة تزويد الطاقة مصدر طاقة مستقر لجهاز الكمبيوتر الصناعي ، عادةً باستخدام مصدر الطاقة أو مصدر الطاقة الخطي.
1.5 وحدة التوسع
عادةً ما يكون لأجهزة التحكم في التحكم الصناعي وحدات توسع لتوسيع وظائفها ، مثل وحدات التحكم في الحركة ، ووحدات معالجة الصور ، إلخ.
1.6 النظام الحراري
يتم استخدام نظام تبديد الحرارة لتبديد الحرارة الناتجة عن الكمبيوتر التحكم الصناعي لضمان التشغيل المستقر للنظام.
2. بنية البرمجيات
يتكون هيكل برنامج الكمبيوتر الصناعي من الأجزاء الرئيسية التالية:
2.1 نظام التشغيل
نظام التشغيل هو البرنامج الأساسي لجهاز التحكم الصناعي ، وهو مسؤول عن إدارة موارد الأجهزة ، ومهام الجدولة ، وتوفير واجهات البرمجة وما إلى ذلك. أنظمة تشغيل الكمبيوتر الصناعية الشائعة هي Linux و VxWorks و QNX وما إلى ذلك.
2.2 نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOs)
نظام التشغيل في الوقت الفعلي هو نظام تشغيل خاص مع موثوقية عالية وموثوقية عالية وخصائص أخرى ، ينطبق على مجال التحكم الصناعي. أنظمة التشغيل المشتركة في الوقت الفعلي هي Freertos و RT-Throad وما إلى ذلك.
2.3 لغات البرمجة
عادةً ما تدعم أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية مجموعة متنوعة من لغات البرمجة ، مثل C ، C ++ ، Python ، إلخ ، لتلبية احتياجات البرمجة لسيناريوهات مختلفة.
2.4 سائق
برنامج التشغيل هو الجسر بين نظام التشغيل والأجهزة ، وهو مسؤول عن تحقيق التحكم في الأجهزة وإدارتها.
2.5 برنامج التطبيق
برنامج التطبيق هو برنامج كمبيوتر التحكم الصناعي لتحقيق مهام تحكم محددة ، بما في ذلك برامج برمجة PLC ، وبرامج التحكم في الحركة ، وبرنامج معالجة الصور وما إلى ذلك.
3. بروتوكولات الاتصال
تحتاج أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية إلى التواصل مع الأجهزة الأخرى لتبادل البيانات والتحكم فيها. بروتوكولات الاتصال المشتركة هي:
3.1 بروتوكولات الاتصالات التسلسلية
تتضمن بروتوكولات الاتصال التسلسلي rs -232 ، rs -485 ، وما إلى ذلك ، والتي هي مناسبة لمسافة قصيرة واتصالات منخفضة المعدل.
3.2 بروتوكولات FieldBus
تشمل بروتوكولات FieldBus Modbus ، Profibus ، Can ، وما إلى ذلك ، والتي هي مناسبة لتواصل الأجهزة في المواقع الصناعية.
3.3 بروتوكولات اتصال Ethernet
تشمل بروتوكولات اتصال Ethernet TCP/IP ، UDP ، وما إلى ذلك ، والتي هي مناسبة للاتصالات عالية السرعة والمسافات الطويلة.
3.4 بروتوكولات الاتصالات اللاسلكية
تشمل بروتوكولات الاتصالات اللاسلكية Wi-Fi ، Bluetooth ، Zigbee ، وما إلى ذلك ، تنطبق على سيناريوهات الاتصالات اللاسلكية.
4. استراتيجية التحكم
تتكون استراتيجية التحكم في جهاز الكمبيوتر الصناعي من الجوانب الرئيسية التالية:
4.1 التحكم في الحلقة المفتوحة
يعني التحكم في الحلقة المفتوحة أن وحدة التحكم تقوم بإخراج إشارات التحكم مباشرة وفقًا لإشارات الإدخال دون تعليقات إشارات الإخراج الفعلية. التحكم في الحلقة المفتوحة بسيطة ومنخفضة التكلفة ، لكن دقة التحكم منخفضة.
4.2 التحكم في الحلقة المغلقة
يعني التحكم في الحلقة المغلقة أن وحدة التحكم تقوم بضبط إشارة التحكم وفقًا للفرق بين إشارة الدخل وإشارة الإخراج الفعلية. التحكم في الحلقة المغلقة له دقة مراقبة عالية واستقرار.
4.3 السيطرة على PID
PID Control هي استراتيجية شائعة للتحكم في الحلقة المغلقة ، والتي تدرك التحكم في النظام من خلال المعلمات الثلاثة للترسب (P) ، والتكامل (I) والتفاضلية (D).
4.4 السيطرة الغامضة
التحكم الغامض هو استراتيجية تحكم تعتمد على المنطق الغامض للأنظمة مع عدم اليقين والغموض.
4.5 التحكم في الشبكة العصبية
التحكم في الشبكة العصبية هي استراتيجية تحكم تعتمد على الشبكة العصبية الاصطناعية ، والتي تتميز بقدرة التعلم الذاتي والقدرة على التكيف.
5. الحقول الجبلية
تستخدم أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية على نطاق واسع في مختلف مجالات الأتمتة الصناعية مثل:
5.1 التصنيع
يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية في الصناعة التحويلية لتحقيق التحكم الآلي في خطوط الإنتاج وتحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.
5.2 صناعة الطاقة
تُستخدم أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية في صناعة الطاقة الكهربائية لتحقيق مراقبة شبكة الطاقة والتحكم فيها لضمان التشغيل المستقر لشبكة الطاقة.
5.3 صناعة البتروكيماويات
تُستخدم أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية في صناعة البتروكيماويات لتحقيق مراقبة والتحكم في عملية الإنتاج ، وتحسين كفاءة الإنتاج وسلامة.
5.4 صناعة النقل
يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر التحكم الصناعية في صناعة النقل لتحقيق التحكم التلقائي في إشارات المرور والمترو وغيرها من المعدات.