در جهان گسترده و پیچیده اتوماسیون صنعتی، کمتر محصولی به جایگاه برجسته و استفاده گسترده ای دست یافته که بتوان آن را با کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی زیمنس SIMATIC S7‑300 و S7‑400 مقایسه کرد. این سیستم ها برای دهه ها به‌عنوان ستون های اصلی و بی بدیل بسیاری از خطوط تولید، ماشین آلات و زیرساخت های حیاتی در سراسر جهان عمل کرده اند. در میان متخصصان این حوزه این دو سری گاه به شکلی غیررسمی با عنوان «S7‑700» یاد می شدند تا نسل پیشین PLC زیمنس را مشخص کنند. محصولاتی که به دلیل استحکام، قابلیت اطمینان و توان پردازشی خود در زمان عرضه شهرتی ممتاز داشتند.
اما با ظهور صنعت ۴.۰، اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) و نیاز فزاینده به تولیدی یکپارچه، شفاف و مبتنی بر داده دوران تازه‌ای آغاز شد. دورانی که با معرفی سیستم اتوماسیون SIMATIC S7‑1500 تعریف می شود. این گذار از نسل قدیم به نسل جدید صرفاً یک ارتقای تدریجی نیست بلکه تغییری بنیادین در فلسفه طراحی، قابلیت ها و نحوه یکپارچه سازی کنترلرها محسوب می شود. هدف این مقاله ارائه یک مقایسه جامع و تخصصی میان این دو نسل بررسی جهش های تکنولوژیکی میان آنها و کمک به مهندسان و مدیران پروژه برای انتخابی آگاهانه است.
SIMATIC S7-1500
سخت افزار و فلسفه طراحی – از ماژولار به یکپارچه
طراحی فیزیکی نخستین و آشکارترین نقطه تفاوت میان این دو نسل است. سیستم‌های قدیمی S7‑300/400 بر مبنای معماری کاملاً ماژولار ساخته شده بودند. یک کنترلر کامل شامل منبع تغذیه مجزا، واحد پردازش مرکزی (CPU) و مجموعه‌ای از ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O) بود که بر روی ریل DIN نصب می‌شد. هر ماژول I/O به‌صورت تک به تک و مجزا در ترمینال ها سیم‌کشی می‌شد. فرآیندی زمان‌بر که مستعد بروز خطا، هم در زمان نصب و هم در مراحل تعمیرات بود.
در مقابل پی ال سی 1500 زیمنس بر پایه فلسفه «هوشمندی یکپارچه» طراحی شده است. در نگاه اول وجود نمایشگر داخلی روی تمامی CPUها جلب توجه می‌کند. صفحه‌نمایشی که به‌طور آنی اطلاعات وضعیت و عیب یابی را نمایش می‌دهد. علاوه بر این در S7‑1500 بسیاری از بخش‌های کلیدی که پیش‌تر به‌صورت ماژول‌های جداگانه عرضه می‌شدند. به‌طور پیش‌فرض در CPU گنجانده شده‌اند. مانند سوئیچ PROFINET چند پورتی برای ایجاد ارتباط زنجیره‌ای میان تجهیزات شبکه، درگاه کارت حافظه استاندارد برای ذخیره پروژه و حتی منبع تغذیه دیجیتال بار. همچنین ماژول‌های I/O بازطراحی شده‌اند و اکنون دارای کانکتورهای جلویی با سینی‌های سیم‌کشی قابل جداشدن هستند که این امکان را می‌دهند تا سیم‌کشی در خارج از تابلو انجام و سپس ماژول به‌راحتی نصب شود. این طراحی باعث کاهش چشمگیر زمان سیم‌کشی تابلو و به حداقل رسیدن توقف ماشین هنگام تعویض ماژول شده است.
عملکرد و توان پردازشی
S7‑1500 از نظر توان محاسباتی جهشی چشمگیر نسبت به همتایان پیشین خود داشته است. CPUهای S7‑300/400، هرچند در زمان خود توانمند بودند، اما بر پایه معماری‌های پردازشی قدیمی عمل می‌کردند. این مدل‌ها قادر به اجرای منطق‌های پیچیده، حلقه‌های کنترلی PID و پردازش داده بودند ولی در مواجهه با نیازهای روزافزون برای پردازش حجم بالای داده، اجرای الگوریتم‌های پیچیده ریاضی یا کنترل‌های حرکتی سریع می‌توانستند تبدیل به گلوگاه سیستم شوند.
خانواده PLC 1500 زیمنس از پردازنده‌های مدرن با سرعت بالا بهره می‌برد که تا ۱۰ برابر سریع‌تر از CPUهای هم‌رده در S7‑400 هستند. این مزیت با ارائه حافظه کاری و حافظه بارگذاری به‌مراتب بیشتر به‌طور پیش‌فرض تکمیل می شود. نتیجه این ترکیب کاهش قابل توجه زمان سیکل و پاسخ سریع‌تر به وقفه‌های فرآیندی است. قابلیت های پیشرفته‌ای مانند کنترل حرکت یکپارچه که در گذشته مستلزم استفاده از سخت افزار جداگانه بود (مانند ماژول Tecnomatix برای S7‑400)، حالا به‌طور استاندارد در CPU S7‑1500 تعبیه شده‌اند و این امکان را می‌دهند تا ده‌ها محور حرکتی به‌طور مستقیم توسط PLC کنترل شوند. این امر موجب ساده‌تر شدن معماری سیستم و کاهش هزینه‌ها می‌شود.
تجربه مهندسی – STEP 7 Classic در برابر TIA Portal
یکی از مهم‌ترین تغییرات برای مهندسین، محیط نرم‌افزاری است که سیستم را پشتیبانی می‌کند. سری S7‑300/400 با SIMATIC STEP 7 Classic (نسخه ۵.x) برنامه‌ریزی و پیکربندی می‌شدند. نرم‌افزاری توانمند اما قدیمی که به‌طور عمده به‌صورت جداگانه از سایر اجزای اتوماسیون عمل می‌کرد. برای مثال، پیکربندی HMI زیمنس یا درایوها نیازمند نرم‌افزارهای مجزا بود که این مسئله به پراکندگی فرآیند مهندسی و افزایش خطر ناسازگاری داده‌ها می‌انجامید.
اما S7‑1500 فقط در بستر TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) برنامه‌نویسی می‌شود. TIA Portal یک پلتفرم مهندسی یکپارچه است که تمامی جنبه‌های پروژه را – از برنامه‌نویسی PLC و طراحی رابط‌های HMI گرفته تا پیکربندی درایوها و مدیریت شبکه – در یک محیط واحد ترکیب کرده است. این یکپارچگی با ایجاد یک دیتابیس مشترک برای کل پروژه، خطاهای ناشی از وارد یا صادر کردن تگ‌ها را حذف می‌کند و ثبات داده‌ها را تضمین می‌نماید. افزون بر این زبان‌های برنامه‌نویسی پیشرفته مانند SCL (متن ساختاریافته شبیه پاسکال) و GRAPH (برای کنترل ترتیبی فرآیند) به‌صورت استاندارد ارائه می‌شوند و نیازی به پرداخت هزینه اضافی نیست. دستاورد چنین رویکردی کاهش چشمگیر زمان توسعه راه‌اندازی و تهیه مستندات پروژه است.
عیب‌یابی، شفافیت و امنیت سایبری
عیب‌یابی و نگهداری از ارکان حیاتی بهره برداری مستمر از سیستم‌ها هستند. در نسل S7‑300/400، عیب‌یابی عمدتاً متکی بر چراغ‌های LED روی ماژول‌ها بود که هرچند مفید بودند ولی فهم معنای چشمک‌زدن‌ها معمولاً نیازمند مراجعه به دفترچه راهنما بود. برای دسترسی به جزئیات بیشتر نیز باید دستگاه برنامه‌نویسی به سیستم متصل و نرم‌افزار اجرا می‌شد.
در مقابل، PLC S7-1500 زیمنس نسل تازه‌ای از عیب‌یابی شفاف و پیشگیرانه را ارائه می‌دهد. نمایشگر داخلی CPU پیام‌های خطا را به‌صورت واضح و متنی نمایش می‌دهد و تکنسین می‌تواند بدون استفاده از ابزار کمکی مشکل را تشخیص دهد. در محیط TIA Portal سیستم عیب‌یابی پیشرفته نه تنها هشدارهای فعال و اطلاعات جامع سیستم را نمایش می‌دهد بلکه نمای توپولوژیک شبکه را نیز ارائه می‌کند و محل دقیق خرابی را مشخص می‌سازد. این ویژگی، عنصر کلیدی در پیاده‌سازی استراتژی‌های نگهداری پیش‌بینانه محسوب می‌شود.
علاوه بر این، S7‑1500 از ابتدا با الزامات امنیت سایبری طراحی شده است. امکاناتی همچون محافظت از دانش فنی برنامه در سطوح مختلف دسترسی رمزنگاری تبادلات داده برای جلوگیری از شنود، و سیاست‌های پیشرفته در تعریف رمز عبور بخشی از ابزارهای امنیتی این سیستم هستند. این قابلیت‌ها برای حفاظت از مالکیت فکری و امنیت شبکه‌های صنعتی در برابر تهدیدات امروزی ضروری محسوب می‌شوند.
ارتباطات و اتصال – از Profibus تا PROFINET و فراتر از آن
در دوران S7‑300/400، Profibus-DP استاندارد غالب ارتباطی بود. هرچند پایدار و قابل اعتماد، اتصال کنترلر به شبکه Profibus اغلب نیازمند ماژول‌های پردازنده ارتباطی (CP) مجزا بود و فرآیند پیکربندی آن نیز ممکن بود پیچیده باشد. هرچند اترنت صنعتی در دسترس بود اما معمولاً به‌عنوان یک قابلیت الحاقی ارائه می‌شد.
S7‑1500، PROFINET IO را به‌عنوان زیرساخت ارتباطی پیش‌فرض و بومی خود ارائه می‌دهد. تمامی CPUها مجهز به سوئیچ داخلی چند پورتی هستند که ایجاد توپولوژی زنجیره‌ای شبکه را بدون نیاز به تجهیزات جانبی ساده می‌کند. این ساختار تبادل داده پرسرعت و قطعی را میان I/Oها و درایوها فراهم می‌کند. افزون بر این مدل‌های پیشرفته‌تر S7‑1500 دارای سرور داخلی OPC UA هستند. استانداردی باز و مستقل از پلتفرم که ارتباط امن و ساده میان PLC و سامانه‌های سطح بالاتر مانند MES، ERP و پلتفرم‌های تحلیلی ابری را ممکن می‌سازد و به‌طور مستقیم در خدمت پیاده‌سازی کاربردهای IIoT قرار می‌گیرد.
نتیجه‌گیری
سری‌های SIMATIC S7‑300 و S7‑400 بی‌گمان بخشی مهم از تاریخ اتوماسیون صنعتی هستند و برای سال‌ها همچنان در بسیاری از خطوط تولید به کار خواهند رفت. با این حال برای هر پروژه جدید بازطراحی یا ساخت ماشین، انتخاب روشن است.
S7‑1500 صرفاً یک محصول تازه نیست. بلکه زیربنای کارخانه دیجیتال و نسل جدید اتوماسیون صنعتی محسوب می‌شود. طراحی سخت‌افزاری پیشرفته، عملکرد پردازشی چشمگیر، سهولت و سرعت توسعه در بستر TIA Portal، عیب‌یابی نوآورانه و امنیت سایبری یکپارچه، همگی باعث کاهش هزینه‌های کلی مالکیت می‌شوند حتی اگر سرمایه‌گذاری اولیه سخت‌افزار بالاتر باشد. صرفه‌جویی در زمان مهندسی، نصب، راه‌اندازی و نگهداری، همراه با کاهش توقف‌های ناخواسته، به‌سرعت این سرمایه‌گذاری را جبران می‌کند.
به‌علاوه، با توجه به ورود رسمی سری S7‑300/400 به فاز توقف تولید بلندمدت، انتخاب S7‑1500 در واقع سرمایه‌گذاری بر آینده است. این انتخاب، تداوم دسترسی به سخت‌افزار و پشتیبانی نرم‌افزاری را تضمین کرده و عملیات صنعتی را با استانداردهای صنعت ۴.۰ همگام می‌سازد. میراث نسل «S7‑700» همچنان ارزشمند باقی می‌ماند، اما آینده بی‌تردید متعلق به S7‑1500 است.