طلوع عصر نیمه‌هادی‌ها و تولد برند  SIMATIC

در این مقاله به بررسی تاریخچه تشکیل و تکامل سیستم های کنترلی siemens    با نام SIMATIC  می پردازیم .از ابتدا تا تولید اولین سری از کنترلر های منطقی برنامه پذیر این شرکت  

معجزه اقتصادی :

پس از پایان جنگ جهانی دوم، اقتصاد آلمان وارد دوره‌ای از بازسازی شتابان و «معجزه اقتصادی» یا همان Wirtschaftswunderشد. در آن دوران، صنایع سنگین مانند فولاد، سیمان و نیروگاه‌های برق برای افزایش سرعت تولید و تضمین دقت عملیاتی، به ابزارهایی کارآمدتر نیاز داشتند. تمامی فرامین کنترلی در آن زمان توسط رله‌های الکترومغناطیسی اجرا می‌شد؛ قطعاتی مکانیکی متشکل از بوبین، هسته آهنی و کنتاکت‌های متحرک که مهندسان زیمنس با بررسی دقیق، سه محدودیت عمده را برای آن‌ها شناسایی کردند: 

• «تأخیر زمانی» (Latency) ناشی از حرکت مکانیکی، 
• «استهلاک مکانیکی و آرک الکتریکی» (Mechanical wear and electric arc) که منجر به اکسیداسیون و خرابی‌های ناگهانی می‌شد،
•  و در نهایت «پیچیدگی تابلوها» که به دلیل هزاران متر سیم‌کشی، عیب‌یابی را عملاً غیرممکن می‌ساخت.

همزمان با این نیاز صنعتی، در سال ۱۹۴۷ میلادی، اختراع انقلابی ترانزیستور در آزمایشگاه‌های بل (Bell Labs) توسط جان باردین، والتر برتن و ویلیام شاکلی رخ داد. زیمنس با درک پتانسیل عظیم این اختراع در نیمه اول دهه ۵۰ میلادی، پیش‌بینی کرد که آینده اتوماسیون در دستان «الکترونیک حالت جامد» (Solid-State Electronics) است. این شرکت به دلیل  تأمین‌کننده اصلی بودن در صنایع زیرساختی، سرمایه‌گذاری عظیمی را در تحقیق و توسعه (R&D) آغاز کرد تا با بهره‌گیری از فیزیک حالت جامد (Solid-State Physics)، ترانزیستور را که به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی بدون قطعات متحرک عمل می‌کرد، جایگزین رله‌ها کند. این حرکت، نه تنها یک پروژه فنی، بلکه یک «استراتژی بقا» برای حفظ برتری تکنولوژیک زیمنس در دوران معجزه اقتصادی و شکوفایی صنعتی بعد از جنگبود. مزایای بهره‌گیری از این تکنولوژی نوین شامل طول عمر نامحدود به دلیل نبود استهلاک، سرعت سوئیچینگ در حد میکروثانیه و کاهش ده برابری فضای اشغال‌شده نسبت به رله‌ها بود. علاوه بر این، زیمنس به دنبال «استانداردسازی» بود تا مفهوم اتوماسیون را از یک فرایند دستی زمان بر و «سفارشی‌ساز» (Custom-built) به تولید ماژول‌های پیش‌ساخته‌ای تبدیل کند که در هر کارخانه‌ای قابل استفاده باشند.

تقاطع دو امپراتوری داخلی: 

شکل‌گیری این تکنولوژی نوین یعنی رله های حالت جامد یا ترانزیستور ، در واقع نقطه تلاقی دانشِ دو بخش مجزا در داخل شرکت زیمنس بود. مهندسان بخش مخابرات (Siemens & Halske) که تخصصشان جریان ضعیف، سوئیچینگ سریع و قطعات الکترونیکی بود، دانش منطق حالت جامد را به دنیای پرنویز ماشین‌آلات سنگین آوردند تا نیازهای خشنِ بخش قدرت (Siemens-Schuckertwerke) را برآورده سازند.

در نیمه اول ده 1950 ، تلاش‌های آزمایشگاهی برای جایگزینی رله‌ها با المان‌های نیمه‌هادی متمرکز شد. سرانجام در تاریخ ۲ آوریل ۱۹۵۸، نام تجاری SIMATIC (برگرفته از ترکیب کلمات Siemens و Automatic) به طور رسمی ثبت شد. این نقطه عطفی بود که در آن، زیمنس رسماً دنیای رله‌های مکانیکی را پشت سر گذاشت و هویت خود را به عنوان «معمار اتوماسیون الکترونیک» تثبیت کرد.

فلسفه طراحی SIMATIC از همان ابتدا بر اصول زیر استوار شد که تا به امروز در محصولات مدرن زیمنس مشهود است:

• معماری ماژولار (Modular Architecture): برخلاف سیستم‌های اختصاصی آن  زمان، تلاش برای ساخت ماژول‌های استانداردی که در تمامی صنایع کاربرد داشته باشند.
• قابلیت توسعه و نگهداری: معرفی سیستم‌های مبتنی بر رک که تعویض ماژول‌ها را بدون نیاز به بازطراحی کل تابلوی فرمان ممکن می‌ساخت.
• تاب‌آوری صنعتی: طراحی قطعات برای کارکرد پایدار در محیط‌های خشن صنعتی که تحت تأثیر نویز و تغییرات دمایی بودند.

ثبت رسمی SIMATIC، نمادی از تغییر پارادایم در مدیریت فرآیندهای صنعتی بود؛ حرکتی که زیمنس را از کنترل مکانیکی به سمت کنترل الکترونیکی سوق داد و جایگاه این شرکت را به عنوان پیشرو در مهندسی برق برای دهه‌های متمادی تضمین کرد.

تولد SIMATIC G: خط‌شکن عصر کنترل حالت جامد

تنها یک سال پس از ثبت برند، در آوریل ۱۹۵۹ و در جریان نمایشگاه صنعتی هانوفر (Hannover Messe)، زیمنس از نخستین سیستم کنترل الکترونیکی ماژولار جهان با نام تجاری SIMATIC G پرده‌برداری کرد. این سیستم تجسم فیزیکی همان تغییر پارادایمی بود که از کنترل مکانیکی به سمت کنترل الکترونیکی هدف‌گذاری شده بود و ورود آن به بازار، زنگ پایان دوران امپراتوری مطلق رله‌های الکترومغناطیسی را به صدا درآورد.

حرف "G" در نام این سری، مستقیماً به کلمه «ژرمانیوم» (Germanium) اشاره داشت؛ عنصر نیمه‌هادی پیشگامی که پایه ساخت ترانزیستورها در آن برهه بود. از منظر معماری فنی، SIMATIC G یک سیستم کنترل با «منطق سیم‌کشی شده» (Hard-wired Programmed Logic) بود.

این مدارات لاجیک، شامل قطعات الکترونیکی مجزا مانند ترانزیستورهای ژرمانیومی و مقاومت‌ها، روی بردهای مدار چاپی استانداردی (Open PCBs) پیاده‌سازی می‌شدند. برای محافظت در برابر شرایط سخت کارخانه‌ها، قطعات حساس اغلب درون مکعب‌های کوچک رزینی (Potted Modules) قالب‌گیری شده و روی این بردها نصب می‌گردیدند. این بردهای پلاگین (Plug-in) به صورت کشویی درون محفظه‌ها یا رک‌های کاملاً فلزی قرار می‌گرفتند. طراحی ماژولار این سیستم انقلابی در نگهداری ایجاد کرد؛ تکنسین‌ها صرفاً برد معیوب را از رک بیرون کشیده و با بردی جدید جایگزین می‌کردند.

روانشناسی مهندسی و معماری منطق: غلبه بر مقاومت فرهنگی

معرفی SIMATIC G، شوک بزرگی به جامعه مهندسی برق وارد کرد. زیمنس با یک سد فرهنگی-روانی بزرگ مواجه بود: «مهندسان صنعت» که سال‌ها به عملکرد ملموس و شنیداری رله‌ها (دیدن جرقه، شنیدن صدای کلیک بوبین) عادت داشتند، به المان‌های نیمه‌هادیِ "نامرئی" و بی‌صدا با دیده تردید می‌نگریستند.

استراتژی زیمنس برای غلبه بر این مقاومت، شامل دو اقدام هوشمندانه بود:

۱. شبیه‌سازی منطق (استفاده از گیت NOR): زیمنس با بهره‌گیری از تکنولوژی RTL (منطق مقاومت-ترانزیستور)، محوریت طراحی را بر گیت‌های NOR قرار داد. گیت NOR دقیقاً معادل الکترونیکیِ کنتاکت‌های بسته (NC) است که به صورت سِری بسته شده‌اند (جریان تنها زمانی عبور می‌کند که هیچ سوئیچی فعال نشده باشد). زیمنس با این ترفند، زبان جدید حالت جامد را برای تکنسین‌های رله‌کار ترجمه کرد. علاوه بر این، در تکنولوژی RTL، ساخت گیت NOR بسیار ساده بود و از آنجا که یک «گیت جامع» (Universal Gate) محسوب می‌شد، امکان ساخت هر تابع منطقی دیگری را فراهم می‌کرد.

۲. مرئی کردن نامرئی‌ها (نیاکان LED): برای حل مشکل بی‌صدا و بی‌حرکت بودن مدارات، مهندسان زیمنس بر روی لبه‌ی جلویی بردهای سیماتیک، لامپ‌های رشته‌ای مینیاتوری (Miniature Incandescent Lamps) تعبیه کردند تا وضعیت صفر و یکِ مدار منطقی را نشان دهند. این لامپ‌ها، در واقع نیاکان همان LEDهای چشمک‌زن روی ماژول‌های I/O در PLCهای امروزی (مانند سری S7) هستند که ریشه در نیاز روانی تکنسین‌ها برای «دیدن» عملکرد مدار دارند.

پذیرش صنعتی، کالبدشکافی عملکرد و طول عمر سیستم

با وجود مقاومت‌های اولیه، نتایج عملکرد SIMATIC G در محیط‌های واقعی به قدری درخشان بود که به سرعت جای خود را باز کرد. از نخستین و مشهورترین کاربردهای میدانی این سیستم می‌توان به کنترل سانتریفیوژهای تصفیه شکر و همچنین سیستم‌های کنترل مشعل در نیروگاه‌های حرارتی اشاره کرد.

نقاط قوت و ضعف عملکردی

سیستم SIMATIC G با سرعت سوئیچینگ در مقیاس میکروثانیه، عمر عملیاتی بی‌نهایت و کاهش چشمگیر حجم تابلوهای کنترل، دستاوردی بی‌نظیر بود.

با این وجود، این سیستم از سه چالش عمده رنج می‌برد:

• حساسیت حرارتی ژرمانیوم: در دماهای بالای ۶۰ درجه سانتی‌گراد، ترانزیستورهای ژرمانیومی دچار نشتی جریان و «فرار حرارتی»      (Thermal Runaway) می‌شدند که پاشنه آشیل این سیستم محسوب می‌شد.
• آسیب‌پذیری در برابر نویز (EMC): محیط‌های پر نویز صنعتی گاهی موجب اختلال در مدارات حساس الکترونیکی می‌شدند.
• فیزیک سیم‌کشی  (Wire-Wrap) و عدم انعطاف‌پذیری: از آنجایی که سیستم فاقد نرم‌افزار بود،  اتصالات لاجیک پشت رک‌ها با استفاده از تکنیک سیم‌پیچی فشاری (Wire-Wrap) و لحیم‌کاری انجام می‌شد. اگر فرآیند کارخانه تغییر می‌کرد، تکنسین‌ها باید ساعت‌ها وقت صرف باز کردن این بافت‌های سیم‌کشی پیچیده و تغییر فیزیکی مسیرها می‌کردند.

چرخه حیات و جمع‌بندی

از منظر تجاری، سیستم SIMATIC G عمر نسبتاً کوتاهی (حدود ۵ سال) داشت؛ محدودیت‌های حرارتی ژرمانیوم باعث شد تا زیمنس در سال ۱۹۶۴ با معرفی سری SIMATIC N به تکنولوژی پایدارترِ سیلیکون مهاجرت کند. با این حال، از منظر عملیاتی، سیستم‌های نصب شده SIMATIC G تا دهه‌ی ۱۹۷۰ و حتی اوایل ۱۹۸۰ میلادی در صنایع به کار خود ادامه دادند.

در نهایت، SIMATIC G یک «محصول گذار» بود؛ پلی ضروری میان عصر مکانیک و عصر الکترونیک مدرن که به صنایع ثابت کرد می‌توان به اتوماسیونِ بدون قطعه متحرک اعتماد کرد.

تولد SIMATIC N:

بحران ژرمانیوم و الزام استراتژیک برای تغییر

در اوایل دهه 1960 میلادی، زیمنس با یک «پارادوکس صنعتی» تمام‌عیار مواجه شده بود. سیستم SIMATIC G به عنوان نخستین نسل کنترلرهای حالت جامد، دقیقاً در صنایعی بیشترین تقاضا را داشت که خشن‌ترین محیط‌های فیزیکی را دارا بودند: کارخانجات ذوب آهن، نورد فولاد، صنایع شیشه و نیروگاه‌های حرارتی. این صنایع تشنه سرعت سوئیچینگ بالا و حذف استهلاک مکانیکی بودند، اما محیط کاری آن‌ها برای قلب تپنده SIMATIC G، یعنی ترانزیستورهای ژرمانیومی، به شدت مرگبار بود.

برای درک چرایی مهاجرت زیمنس به سیلیکون در سال 1964، باید به فیزیکِ نیمه‌هادی‌ها در آن دوران بازگردیم.

۱. فیزیکِ فاجعه: پدیده «فرار حرارتی» (Thermal Runaway)

ژرمانیوم (Ge) عنصری با گاف انرژی (Bandgap) نسبتاً کوچک (حدود 0.66 الکترون‌ولت) است. این ویژگی باعث می‌شد تا در دماهای پایین، ترانزیستورهای ژرمانیومی به راحتی روشن شوند، اما در محیط‌های خشن صنعتی، همین نقطه قوت به پاشنه آشیل آن‌ها تبدیل شد.در الکترونیک حالت جامد، پارامتری به نام جریان نشتی (Collector-Base Leakage Current) وجود دارد. در ترانزیستورهای ژرمانیومی، به ازای هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما، میزان جریان نشتی تقریباً دو برابر می‌شد. زمانی که دمای محیط تابلوهای کنترل در کارخانجات فولاد به بالای 60 الی 75 درجه سانتی‌گراد می‌رسید، این افزایش نماییِ جریان نشتی، پدیده‌ای مخرب به نام فرار حرارتی (Thermal Runaway) را رقم می‌زد.

بحران ایمنی و تبعات فاجعه‌بار میدانی: در حالت فرار حرارتی، جریان نشتی به قدری بالا می‌رفت که لایه کُنترلیِ ترانزیستور (Base) کنترل خود را بر جریان خروجی از دست می‌داد. از منظر منطق دیجیتال، این بدان معنا بود که یک گیت NOR به صورت خودبه‌خودی و بدون هیچ فرمان ورودی، روشن می‌شد (تغییر وضعیت کاذب از صفر به یک). در یک کارخانه نورد، این «روشن شدن کاذب» می‌توانست باعث استارت ناگهانی یک موتور چند صد کیلوواتی و بروز فجایع جانی و مالی شود. مهندسان متوجه شدند که ژرمانیوم نمی‌تواند بارِ سنگینِ قابلیت اطمینان (Reliability) در اتوماسیون صنعتی را به دوش بکشد.

۲. معمای دهه ۵۰: چرا سیلیکون از ابتدا استفاده نشد؟

با توجه به اینکه سیلیکون (Si) دارای گاف انرژی بزرگتر (حدود 1.12 الکترون‌ولت) است و به راحتی می‌تواند دماهای بالای 125 تا 150 درجه سانتی‌گراد را بدون نشتی جریان تحمل کند، این سوال در تاریخ مهندسی مطرح می‌شود که: چرا زیمنس در سال 1959 سیستم SIMATIC Gرا از همان ابتدا با سیلیکون نساخت؟

پاسخ در محدودیت‌های متالورژی و تکنولوژی ساختِ آن دوران نهفته است:

نقطه ذوب وحشتناک: نقطه ذوب ژرمانیوم حدود 938 درجه سانتی‌گراد است، در حالی که سیلیکون در دمای 1414 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. در دهه 50 میلادی، کوره‌های صنعتی که بتوانند با دقت و خلوص بالا کریستال‌های سیلیکون (با روش کشش چکرالسکی - Czochralski) را رشد دهند، بسیار کمیاب، گران‌قیمت و از نظر تجاری برای تولید انبوهِ قطعات صنعتی غیرمنطقی بودند.

شکنندگی و ناپایداری سطح: ترانزیستورهای سیلیکونی اولیه (مانند ترانزیستورهای آلیاژی) به شدت در برابر آلودگی‌های سطحی آسیب‌پذیر بودند و نرخ خرابی (Yield Loss) آن‌ها در خط تولید بسیار بالا بود.

۳. پیشرفت متالورژیک و تکنولوژی مسطح (The Planar Revolution)

آنچه راه را برای تولد سری جدید زیمنس هموار کرد، یک انقلاب در آن‌سوی اقیانوس اطلس بود. در سال 1959، ژان هورنی (Jean Hoerni) در شرکت Fairchild Semiconductorفرآیندی به نام تکنولوژی مسطح (Planar Process)را اختراع کرد.

این تکنولوژی دو دستاورد حیاتی داشت:

امکان ساخت ترانزیستورها به صورت تخت روی یک ویفر سیلیکونی.

پسیواسیون یا غیرفعال‌سازی سطحی (Passivation): ایجاد یک لایه محافظ از جنس دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) روی ترانزیستور، که مانند یک سپر شیشه‌ای نفوذناپذیر، کریستال سیلیکون را در برابر گرد و غبار، رطوبت و آلودگی‌های محیطی محافظت می‌کرد.

تصمیم پشت‌پرده زیمنس: دپارتمان تحقیق و توسعه (R&D) زیمنس با رصد دقیق این پیشرفت‌ها در اوایل دهه 60، سرمایه‌گذاری سنگینی روی بومی‌سازی و صنعتی‌سازی تکنولوژی Planarانجام داد. آن‌ها متوجه شدند که ترکیب «مقاومت حرارتی ذاتی سیلیکون» با «محافظت شیمیایی لایه اکسید سیلیکون»، دقیقاً همان فرمول جادویی است که می‌تواند اتوماسیون بی‌نقصِ حالت جامد را برای همیشه در صنایع سنگین تثبیت کند.

این تغییر متالورژیک، صرفاً یک ارتقای سخت‌افزاری نبود؛ بلکه یک «عملیات نجات» برای حفظ آبروی ایده نوپای «اتوماسیون الکترونیکی» در برابر مدافعانِ سیستم‌های رله‌ای بود.

تولد SIMATIC N (1964) و انقلاب تکنولوژی مسطح (Planar)

در سال 1964، شرکت زیمنس پس از سال‌ها تحقیق و توسعه پنهانی و تسلط بر فرآیندهای متالورژیک جدید، رسماً توقف تولید سیستم‌های مبتنی بر ژرمانیوم را اعلام کرد. جایگزین این سیستم، خانواده‌ای کاملاً جدید از کنترلرهای حالت جامد بود که بر پایه سیلیکون بنا شده بود و با نام تجاری SIMATIC N به بازار عرضه شد. ورود این سیستم به بازار، نقطه پایانی بر تمامی تردیدها پیرامون قابلیت اطمینان اتوماسیون الکترونیکی در محیط‌های صنعتی بود.

 نام‌گذاری هوشمندانه: نماد N به چه معناست؟

در نام‌گذاری این سیستم، زیمنس از منطق نام‌گذاری متریال (مانند حرف G برای ژرمانیوم در نسل قبل) عبور کرد و به جای آن، سیستم جدید را بر اساس «سرعت پردازش» و «کاربرد میدانی» دسته‌بندی نمود.

حرف N در این سری، مخفف کلمه آلمانی Niederfrequenz به معنای «فرکانس پایین» یا «فرکانس نرمال» است. سیستم SIMATIC N برای کار با فرکانس‌های سوئیچینگ تا حداکثر 10 کیلوهرتز (10 kHz) طراحی شده بود.

 پارادوکس سرعت: شاید در نگاه اول، اختصاص نام «فرکانس پایین» به یک محصول تکنولوژیک، یک نقطه ضعف یا یک خودزنی مارکتینگی به نظر برسد؛ اما در سال 1964 این یک شاهکار مهندسی و یک تصمیم کاملاً آگاهانه بود. محیط کارخانجات پر از نویزهای الکترومغناطیسی با فرکانس بالا بود که بر اثر جرقه زدن کنتاکتورها و استارت موتورها ایجاد می‌شد. مهندسان زیمنس مدارات ورودی SIMATIC N را با استفاده از فیلترهای خازنی-مقاومتی (RC) عمداً کُند طراحی کردند! این «کندی عمدی» باعث می‌شد سیستم در برابر نویزهای فرکانس بالای محیط کاملاً کور و ناشنوا باشد و تنها سیگنال‌های طولانی‌مدت و واقعیِ سنسورها را به عنوان فرمان ورودی بپذیرد. این فیلترینگ سخت‌افزاری، راز پایداری افسانه‌ای سری N بود.

 تاثیر مستقیم تکنولوژی Planar بر معماری سخت‌افزار

، بهره‌گیری از تکنولوژی مسطح (Planar Process)، ترانزیستورهای سیلیکونی را به یک لایه محافظ شیشه‌ای از جنس دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) مجهز کرد. این دستاورد متالورژیک، معماری فیزیکی سیستم‌های کنترلی زیمنس را به کلی دگرگون ساخت:

• حذف بلوک‌های رزینی (Potted Modules): در  نسل G، قطعات حساس به دلیل آسیب‌پذیری در برابر رطوبت و گرد و غبار، درون بلوک‌های  سنگین و ماتِ رزینی (اپوکسی) قالب‌گیری می‌شدند. اما در      SIMATIC N، ترانزیستورهای Planar ذاتاً در برابر محیط ایزوله بودند. این امر  به زیمنس اجازه داد تا بلوک‌های رزینی را حذف کرده و قطعات را مستقیماً و به  صورت کاملاً باز روی بردهای مدار چاپی مونتاژ کند.
• افزایش چگالی قطعات (Component Density): با حذف رزین و استفاده از ترانزیستورهای مسطح و بسیار کوچکتر، تعداد گیت‌های      منطقی که روی یک برد واحد جای می‌گرفتند، به شدت افزایش یافت. این امر باعث شد تا تابلوهای فرمانِ مجهز به SIMATIC N بسیار فشرده‌تر از تابلوهای نسل G و به مراتب کوچکتر از تابلوهای رله‌ای باشند.

 تحول در فیزیک رک‌ها: پیش‌درآمدی بر استانداردهای اروپایی

یکی دیگر از ابعاد حیاتی تولد SIMATIC N، بلوغ در طراحی مکانیکیِ سیستم بود. زیمنس متوجه شد که برای نفوذ به صنایع ماشین‌سازی، بردهای کنترلی باید در فرمت‌های استانداردی تولید شوند که به راحتی در تابلوهای برق متداول قرار گیرند.

سیستم SIMATIC N مبتنی بر بردهای مدار چاپیِ پلاگین (Plug-in PCBs) با ابعاد استاندارد طراحی شد. این بردها دارای کانکتورهای چندپین و طلایی رنگی در انتهای خود بودند که با فشار وارد اسلات‌های ماده در پشت رک (Baugruppenträger) می‌شدند.

زمینه تاریخی: ابعاد و ساختار فیزیکی بردهای SIMATIC N یکی از اولین گام‌های صنعت اروپا به سمت تعریف استانداردی بود که بعدها در اوایل دهه 70 میلادی تحت عنوان یوروکارت (Europakarte / Eurocard) به یک استاندارد جهانی (DIN 41494) برای سخت‌افزارهای صنعتی تبدیل شد. مهندسان مکانیک اکنون می‌توانستند قفسه‌های (Racks) استاندارد 19 اینچی را در کنار کلیدهای قدرت نصب کنند و بردهای کنترلی را به سادگیِ یک کشو، درون آن‌ها جای‌گذاری نمایند.

این معماری مکانیکی، فرآیند نگهداری و عیب‌یابی را به حدی تسهیل کرد که حتی تکنسین‌های سطح پایین کارخانجات نیز می‌توانستند با شناسایی بردی که لامپ سیگنال آن خطایی را نشان می‌داد، آن را بیرون کشیده و برد جایگزین را در کمتر از چند ثانیه وارد مدار کنند؛ اتفاقیکه در سیستم‌های رله‌ایِ پر از سیم، چیزی شبیه به یک معجزه بود.

 تکامل معماری منطق (عبور از RTL به سمت DTL) :

تغییر متالورژیک از ژرمانیوم به سیلیکون در سری SIMATIC N، تنها نیمی از معادله موفقیت این سیستم بود. نیمه دیگر، یک جراحی عمیق در پایین‌ترین لایه طراحی سخت‌افزار، یعنی تغییر بلوک‌های سازنده گیت‌های منطقی بود. زیمنس در این نسل، تکنولوژی ابتدایی RTL (منطق مقاومت-ترانزیستور) را به طور کامل کنار گذاشت و به معماری قدرتمندتر و صنعتی‌ترِ DTL (منطق دیود-ترانزیستور) مهاجرت کرد.

برای یک مهندس اتوماسیون یا محقق تاریخ فناوری، درک این تغییر معماری، کلید فهمِ پایداری سیستم‌های کنترلی مدرن است.

 کالبدشکافی ضعف‌های منطق RTL در محیط صنعتی

همان‌طور که در بررسی نسل G دیدیم، منطق RTL به دلیل سادگی طراحی انتخاب شده بود. در این معماری، سیگنال‌های ورودی از طریق مقاومت‌ها به پایه ترانزیستور می‌رسیدند. اما مقاومت‌ها دارای یک رفتار خطی (Linear) هستند؛ یعنی افت ولتاژ دو سر آن‌ها مستقیماً به جریانی که از آن‌ها عبور می‌کند بستگی دارد (قانون اهم).

این رفتار خطی در محیط پر از نویز کارخانه دو فاجعه به بار می‌آورد:حاشیه نویز (Noise Margin) بسیار پایین: هرگونه اسپایک (Spike) ولتاژی یا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) که روی سیم‌های ورودی القا می‌شد، به راحتی از مقاومت عبور کرده و ترانزیستور را تحریک می‌کرد.

محدودیت فن‌اوت (Fan-out): در منطق دیجیتال، Fan-out به معنای تعداد ورودی‌هایی است که خروجی یک گیت می‌تواند بدون افت ولتاژ تغذیه کند. در RTL، کشیدن جریان بیشتر به معنای افت ولتاژ شدیدتر در مقاومت‌ها بود، بنابراین یک ماژول نهایتاً می‌توانست 2 یا 3 ماژول دیگر را تحریک کند که این امر طراحی مدارهای پیچیده را بسیار محدود می‌کرد.

 معماری DTL: دیودها به عنوان سد دفاعی

در سیستم SIMATIC N، مهندسان زیمنس معماری DTL (Diode-Transistor Logic) را به عنوان استاندارد جدید معرفی کردند. در این معماری، توابع منطقی (مانند AND و OR) در طبقه ورودی توسط شبکه‌ای از دیودهای سیلیکونی انجام می‌شد و ترانزیستور تنها در طبقه خروجی نقش تقویت‌کننده (Amplifier) و معکوس‌کننده (Inverter) را بر عهده داشت.

مزیت شگرف دیود نسبت به مقاومت، رفتار غیرخطی (Non-linear) و وجود آستانه شکست دقیق (حدود 0.7 ولت برای سیلیکون) است.

دیوار سُربی در برابر نویز: دیودها اجازه نمی‌دادند نویزهای کوچک یا ولتاژهای سرگردان وارد بیسِ ترانزیستور شوند. سیگنال تنها زمانی پذیرفته می‌شد که ولتاژ ورودی از یک آستانه دقیق و مشخص عبور می‌کرد. این ویژگی، حاشیه نویز (Noise Margin) سیستم را به طرز چشمگیری افزایش داد و SIMATIC N را به یک «گاوصندوق الکترونیکی» نفوذناپذیر در برابر تداخلات الکترومغناطیسی تبدیل کرد.

 تولد یک استاندارد جهانی: چرا 24 ولت DC؟

شاید یکی از مهم‌ترین میراث‌های پنهان سیستم SIMATIC N برای اتوماسیون صنعتی مدرن، تثبیت سطح ولتاژ منطقی بود. در حالی که کامپیوترها و مدارهای الکترونیکی تجاری در آن دوران در حال حرکت به سمت ولتاژهای پایین (مانند 5 ولت در منطق TTL) بودند، زیمنس سطح ولتاژ لاجیک و سیگنال‌های کنترلی SIMATIC N را روی 24 ولت DC (+24V) تنظیم کرد.

 چرا مهندسان زیمنس عدد 24 ولت را انتخاب کردند و چرا این عدد تا به امروز (پس از گذشت بیش از شصت سال) همچنان استاندارد مطلق ورودی/خروجی‌های PLCهاست؟

این انتخاب، یک نقطه تعادل شاهکار بین «ایمنی انسانی» و «شیمی صنعتی» بود:

الف) غلبه بر اکسیداسیون: در کارخانجات، سنسورهای مکانیکی و لیمیت‌سوئیچ‌ها به سرعت دچار اکسیداسیون سطحی (زنگ‌زدگی میکروسکوپی) می‌شدند. ولتاژهای پایین (مانند 5 ولت) توانایی عبور از این لایه اکسیدِ عایق را نداشتند. اما ولتاژ 24 ولت انرژی کافی برای «سوراخ کردن» (Punch-through) این لایه اکسید را داشت و اتصال الکتریکی را تضمین می‌کرد.

ب) ایمنی اپراتور (SELV): از طرف دیگر، در استانداردهای برق‌گرفتگی، هر ولتاژ دی‌سی (DC) زیر 50 ولت به عنوان ولتاژ ایمن بسیار پایین (SELV - Safety Extra Low Voltage) دسته‌بندی می‌شد. 24 ولت دقیقاً در نقطه بهینه  (Sweet Spot) قرار داشت: آنقدر قوی که اکسید آهن را بشکافد و بر نویزها غلبه کند، و آنقدر ضعیف که برای تکنسینی که بدون دستکش با سیم‌ها کار می‌کرد، کشنده نباشد.

سیستم SIMATIC Nبا تلفیق تکنولوژی Planar، معماری ضد نویز DTL و ولتاژ استاندارد 24 ولت، معماری سخت‌افزاری اتوماسیون را به بلوغی رساند که پایه‌های طراحی تمام PLCهای دهه‌های بعد را شکل داد.

 برادرِ پرسرعت؛ معرفی سیستم SIMATIC H

با وجود موفقیت خیره‌کننده SIMATIC N، طراحی این سیستم بر پایه یک مصالحه (Trade-off) بزرگ استوار بود: «فدا کردن سرعت در برابر مقاومت در برابر نویز». همان‌طور که در بخش‌های قبل بررسی کردیم، سری N با استفاده از فیلترهای ورودی و معماری خاص خود، فرکانس سوئیچینگ را به حداکثر 10 کیلوهرتز محدود کرده بود تا در برابر نویزهای خشن صنعتی مصون بماند.اما تمام صنایع به این سطح از مصونیت نیاز نداشتند و برخی از آن‌ها، محدودیت سرعت را نمی‌پذیرفتند. برای پاسخ به این تقاضا، زیمنس به موازات سری N، سیستم مکمل و هم‌خانواده‌ای را با نام SIMATIC H روانه بازار کرد.

 معماری و کاربرد: عبور از سد فرکانس:  حرف H در این سری، مخفف کلمه آلمانی Hochfrequenz به معنای «فرکانس بالا» است. مهندسان زیمنس با حذف عمدی فیلترهای خازنی-مقاومتی (RC) در ورودی‌ها و بهینه‌سازی مسیرهای سیگنال در معماری DTL، توانستند فرکانس کاری سری H را تا مرز 100 کیلوهرتز (100 kHz) یعنی ده‌برابر سریع‌تر از سری N، افزایش دهند.

سیستم SIMATIC H منحصراً برای محیط‌هایی طراحی شد که نویز محیطی کمتری داشتند، اما نیازمند واکنش‌های فوق‌سریع در مقیاس میکروثانیه بودند. کاربردهای اصلی این سیستم شامل موارد زیر بود:

ماشین‌آلات ابزار دقیق (Precision Machine Tools): دستگاه‌های فرز و تراش اتوماتیک اولیه که نیازمند کنترل موقعیت (Positioning) بسیار سریع و دقیق محورها بودند.سیستم‌های اندازه‌گیری و شمارش دور بالا: ماشین‌آلاتی که وظیفه بسته‌بندی، سورتینگ با سرعت بالا و خواندن پالس‌های سریع انکودرهای اولیه را بر عهده داشتند.

رابط‌های پردازش داده: در برخی کاربردهای خاص، سری H به عنوان یک واسط (Interface) سریع بین سنسورهای میدان و سیستم‌های جمع‌آوری داده عمل می‌کرد.

 هم‌زیستی مسالمت‌آمیز: ادغام سری N و H

یکی از هوشمندانه‌ترین تصمیمات زیمنس در طراحی خانواده سیلیکونی (نسل دوم SIMATIC)، حفظ تطابق فیزیکی و ولتاژی بین دو سری N و H بود. هر دو سیستم از ولتاژ منطقی 24 ولت DC استفاده می‌کردند و هر دو بر اساس استانداردهای فیزیکی یوروکارت (ابعاد پلاگین یکسان) ساخته شده بودند. این تطابق بدان معنا بود که مهندسان طراح می‌توانستند در یک تابلوی فرمانِ واحد و در یک رک مشترک، همزمان از هر دو سیستم استفاده کنند! به عنوان مثال، در دستگاه پیچیده‌ای مانند یک ماشین چاپ پرسرعت، از کارت‌های سری H صرفاً برای «بخش کنترلِ رجیسترها و سنسورهای سرعت بالا» استفاده می‌شد، در حالی که «منطق عمومی دستگاه، کنترل پمپ‌ها و قفل‌های ایمنی» که نیازمند مصونیت بالا در برابر نویز بود، به کارت‌های مقاوم‌تر سری N سپرده می‌شد. این رویکرد هیبریدی، هزینه تمام‌شده پروژه را کاهش می‌داد و قابلیت اطمینان سیستم را بهینه‌سازی می‌کرد.

 سرنوشت سیستم‌های فرکانس بالا در دوران پیشا-میکروپروسسور

با وجود توانمندی‌های سری H، حجم فروش و نفوذ آن در بازار هرگز به پای برادر کُندتر خود (سری N) نرسید. دلیل این امر، ذاتِ صنایع آن دوران بود. تا پیش از ظهور درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و موتورهای سروو (Servo) پیشرفته، اکثر فرآیندهای صنعتی ماهیتاً کُند بودند (مثل باز و بسته شدن شیرها، استارت و نوار نقاله‌ها).علاوه بر این، با حساس‌تر شدن سیستم به نویز در فرکانس‌های بالا، تکنسین‌ها برای راه‌اندازی تابلوهای حاوی SIMATIC H مجبور به رعایت استانداردهای سخت‌گیرانه‌تری در سیم‌کشی (استفاده از کابل‌های شیلددار و مسیرهای جداگانه برای قدرت و فرمان) بودند که هزینه نصب را افزایش می‌داد.با این حال، SIMATIC H به عنوان یک «اثبات مفهوم (Proof of Concept)»، به صنایع نشان داد که اتوماسیون حالت جامد نه تنها پایدار است، بلکه می‌تواند سرعتی فراتر از توان مکانیک را مهار کند.

 روانشناسی مهندسی، استانداردسازی بازار و پایان عصر رله‌ها

ظهور و تثبیت خانواده سیلیکونی زیمنس (SIMATIC N و هم‌تای پرسرعتش SIMATIC H) در اواسط دهه ۱۹۶۰، صرفاً یک ارتقای سخت‌افزاری در سبد محصولات یک شرکت آلمانی نبود؛ بلکه نقطه عطفی بود که در آن «اتوماسیون حالت جامد» بالاخره توانست بر مقاومت فرهنگی و محافظه‌کاری عمیق در صنایع سنگین غلبه کند.

برای درک کامل دستاورد این نسل، باید به تاثیرات آن در بازار ماشین‌سازی و تغییر ذهنیت مهندسان کنترل نگاهی بیندازیم.

۱. غلبه نهایی بر مقاومت فرهنگی مهندسان سنتی

همان‌طور که در بررسی نسل G (ژرمانیوم) دیدیم، تکنسین‌ها به شدت در برابر سیستم‌های بی‌صدا و نامرئیِ الکترونیکی مقاومت می‌کردند. این مقاومت در سال‌های اولیه به دلیل پدیده «فرار حرارتی» و روشن شدن‌های کاذب سیستم توجیه منطقی داشت. اما سیستم SIMATIC N با استفاده از سیلیکون و تکنولوژی Planar، معادله را برای همیشه تغییر داد.

سیستم جدید نه تنها به نویزها بی‌تفاوت بود، بلکه می‌توانست در دماهای بالای کارخانجات فولاد و شیشه، بدون هیچ افت عملکردی سال‌ها کار کند. مهندسان نگهداری (Maintenance) که تا پیش از آن باید هر ماه تابلوهای رله‌ای را باز کرده، کنتاکت‌های سوخته را تمیز می‌کردند ، ناگهان با سیستم‌هایی مواجه شدند که نیازمند «نگهداری صفر» (Zero Maintenance) بودند. این قابلیت اطمینان مطلق، آخرین سنگرهای مقاومت مهندسان سنتی را در هم شکست و باعث شد آن‌ها با آرامش خیال، کنترل پیچیده‌ترین خطوط تولید را به دست بردهای بی‌صدای سیلیکونی بسپارند.

۲. نفوذ به صنعت ماشین‌سازی: تولد مفهوم OEM

تا پیش از این دوره، تابلوهای کنترل معمولاً به صورت سفارشی (Custom-built) و مختصِ همان کارخانه در محل پروژه مونتاژ و سیم‌کشی می‌شدند. اما استفاده از استانداردهای فیزیکی یوروکارت (ابعاد یکسان بردها و رک‌ها) در سیستم SIMATIC N، مفهوم جدیدی را در صنعت ماشین‌سازی آلمان و اروپا تثبیت کرد.

شرکت‌های سازنده ماشین‌آلات اصلی (OEM - Original Equipment Manufacturer)، مانند سازندگان دستگاه‌های بسته‌بندی، پرس‌های هیدرولیک و ماشین‌های نساجی، اکنون می‌توانستند تابلوهای کنترل خود را به صورت «ماژولار و پیش‌ساخته» در کارگاه خود مونتاژ کنند. اگر ماشین‌آلات با آپشن‌های مختلفی سفارش داده می‌شد، سازنده نیازی به بازطراحی کامل تابلوی برق نداشت؛ کافی بود یک برد SIMATIC N جدید را در رک جای‌گذاری کند. این انعطاف‌پذیری، هزینه‌های تولید انبوه ماشین‌آلات را به شدت کاهش داد و SIMATIC را به فرمت حاکم در تابلوهای فرمان اروپایی تبدیل کرد.

۳. محدودیت نهایی: بن‌بستِ منطقِ سیم‌کشی شده

با وجود تمام این دستاوردها، خانواده SIMATIC N و H همچنان یک نقطه ضعف ذاتی و بزرگ را از نسل پیشین خود به ارث برده بودند: «منطق سیم‌کشی شده» (Hard-wired Logic).

سیستم‌ها پایدار، ضد نویز و ماژولار بودند، اما تغییر فرآیند همچنان یک کابوس بود. اگر مهندس فرآیند متوجه می‌شد که به جای راه‌اندازی همزمان دو پمپ، یکی از آن‌ها باید با ۱۰ ثانیه تاخیر روشن شود، برنامه‌نویس اتوماسیون (که در واقع یک تکنسین سیم‌کشی بود) باید نقشه سخت‌افزاری را بازنگری می‌کرد، دستگاه را خاموش می‌نمود، با ابزار Wire-wrap سیم‌های پشت رک را باز می‌کرد، ماژول تایمر جدید را اضافه کرده و مسیر سیگنال را به صورت فیزیکی از نو می‌بافت. این فرآیند گاهی روزها زمان می‌برد و در صنایع سریع و رو به رشد، دیگر قابل قبول نبود.همین محدودیتِ انعطاف‌پذیری، با وجود کمال سخت‌افزاری در نسل سیلیکون، به عنوان کاتالیزوری عمل کرد تا زیمنس و سایر پیشگامان اتوماسیون در جهان، رویای «جداسازی سخت‌افزار از منطق فرمان» را در سر بپرورانند؛ رویایی که کمتر از یک دهه بعد، با ظهور کامپیوترهای کوچک و حافظه‌های قابل برنامه‌ریزی، به اختراع شگفت‌انگیز PLC (Programmable Logic Controller)و ورود به عصر نرم‌افزار (در سری‌های بعدی زیمنس نظیر SIMATIC S3) منجر شد.

 نوآوری‌های عیب‌یابی، تکنولوژی اتصالات و پایان یک دوران

در کنار تغییر متالورژیک به سیلیکون و معماری DTL، سیستم SIMATIC N مجموعه‌ای از نوآوری‌های مکانیکی و رابط کاربری را به صنعت معرفی کرد که تا پیش از آن در تابلوهای فرمان سابقه نداشت. این نوآوری‌ها مستقیماً بر روی کاهش زمان توقف ماشین‌آلات (Downtime) و افزایش طول عمر سیستم متمرکز بودند.

۱. انقلاب در عیب‌یابی: مرئی کردن منطق (Making Logic Visible)

در تابلوهای سنتی، تکنسین‌ها برای عیب‌یابی به دو حس وابسته بودند: «شنیدن» صدای تق‌تق رله‌ها و «اندازه‌گیری» با مولتی‌متر نقطه به نقطه. زیمنس برای اولین بار در سیستم SIMATIC N، وضعیت پردازش را برای انسان «مرئی» کرد.در لبه جلویی (Front Panel) بردهای پلاگین، زیمنس لامپ‌های رشته‌ای مینیاتوری (و در اواخر تولید، LEDهای اولیه) به همراه پین‌های تست (Test Sockets) تعبیه کرد.

روانشناسی مهندسی در تعمیر و نگهداری: این تغییر یک انقلاب در آرامش روانی تیم‌های نگهداری (Maintenance) بود. تکنسینِ شیفت شب دیگر نیازی نداشت در یک تابلوی پیچیده به دنبال سیم قطعی بگردد؛ با یک نگاه به رکِ SIMATIC N می‌توانست ببیند که خروجی گیت AND روشن است، اما سنسور ورودی روی برد مجاور خاموش مانده است. پین‌های تست نیز اجازه می‌دادند تکنسین پراب‌های اسیلوسکوپ یا مولتی‌متر را مستقیماً از جلوی تابلو و بدون نیاز به بیرون کشیدن برد، به مدار متصل کند. این طراحی ارگونومیک، زمان عیب‌یابی (MTTR - Mean Time To Repair) را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش داد.

۲. تکنولوژی اتصالات بدون لحیم: غلبه بر لرزش‌های صنعتی

از آنجایی که SIMATIC N یک سیستمِ «منطق سیم‌کشی شده» (Hard-wired) بود، هزاران سیم باید در پشت رک (Backplane) پایه‌های بردها را به هم متصل می‌کردند. در محیط‌هایی مانند کارخانه نورد فولاد یا ماشین‌های نساجی، لرزش‌های مداوم و شدید باعث شکستگی لحیم‌ها (Cold Solder Joint) می‌شد. زیمنس برای حل این بحران، لحیم‌کاری در پشت رک را ممنوع کرد و به جای آن از دو تکنولوژی اتصال سرد که از صنایع مخابراتی نظامی به ارث رسیده بودند، استفاده کرد:

• تکنولوژی وایر-رپ (Wire-Wrap):در این روش، پین‌های پشت رک به  جای استوانه‌ای، به صورت مربعی با لبه‌های تیز طراحی شده بودند. یک تفنگ بادی یا الکتریکی مخصوص، سیم مفتولی از جنس مس نرم را با کشش و فشار بسیار بالا به دور این پین می‌پیچید. فشار در لبه‌های تیز پین به حدی بالا  بود که لایه اکسید مس را می‌شکافت و پیوندی در سطح مولکولی به نام «جوش سرد»      (Kaltpressschweißung) ایجاد می‌کرد. این اتصال در برابر هرگونه لرزش و خوردگی شیمیایی کاملاً نفوذناپذیر بود.

• تکنولوژی ترمی-پوینت (Termi-Point): در این روش  که ابداع شرکت AMP بود، سیم  لخت شده توسط یک گیره فلزی فنری با فشار بالا روی پینِ تخت (Post) پرس می‌شد. مزیت این روش نسبت به  Wire-wrap این بود که در صورت نیاز به تغییر منطق، باز      کردن گیره فنری برای تکنسین‌ها آسان‌تر از باز کردن سیم‌های پیچیده‌شده بود.

۳. همزیستی طولانی‌مدت با PLCها و تاریخ رسمی پایان پشتیبانی (End of Life)

یکی از شگفت‌انگیزترین حقایق درباره سیستم SIMATIC N، طول عمر تاریخی آن است. با وجود معرفی PLCهای نرم‌افزاری (مانند SIMATIC S3 در سال ۱۹۷۳ و S5 در سال ۱۹۷۹)، تولید و فروش قطعات خانواده N بلافاصله متوقف نشد.

چرایی بقا (حفاظت در برابر خطای نرم‌افزار): در دهه ۷۰ و ۸۰ میلادی، هنوز اعتماد کاملی به پایداریِ نرم‌افزارِ PLCها در بین مهندسان ایمنی وجود نداشت. «ترس از هنگ کردن پردازنده» باعث شد تا طراحان سیستم‌های حیاتی، یک رویکرد ترکیبی اتخاذ کنند: کنترل فرآیند به PLC سپرده می‌شد، اما «مدارهای اینترلاک ایمنی» (Safety Interlocks) و قطع اضطراری (Emergency Stops) همچنان با استفاده از بردهای سخت‌افزاری و غیرقابل هکِ SIMATIC N پیاده‌سازی می‌شدند.

خط زمانی پایان چرخه حیات (Lifecycle Phase-out):

• پایان تولید انبوه سیستم‌های جدید (Active Marketing Phase-out): زیمنس  فروش تابلوهای کامل و پروژه‌های جدید مبتنی بر      SIMATIC N را در اوایل دهه ۱۹۸۰ متوقف کرد و مشتریان را به استفاده از سری   S5 تشویق نمود.
• پایان قطعی پشتیبانی قطعات یدکی (Official End of Support / EOL): بر اساس سیاست حفظ ۱۰ الی ۱۵ ساله قطعات یدکی در صنعت اتوماسیون آلمان، زیمنس پشتیبانی رسمی، تولید سفارشیِ بردهای جایگزین و ارائه قطعات یدکی      (Ersatzteilversorgung) برای سری‌های  N و H را در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی (حدود سال‌های ۱۹۹۵ - ۱۹۹۶) به طور رسمی پایان داد. پس از این تاریخ، هر کارخانه‌ای که هنوز از SIMATIC N استفاده می‌کرد، مجبور بود برای نگهداری از ماشین‌آلات خود قطعات را از بازار دست‌دوم تهیه کند یا تن به ارتقای سیستم (Revamping) بدهد.

انقلاب مدارهای مجتمع (IC) و کالبدشکافی خانواده SIMATIC C

در اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی، با وجود موفقیت چشمگیر سیستم‌های SIMATIC N، طراحان تابلوهای برق با یک چالش فیزیکی جدید مواجه شدند: «بحران تراکم» (Density Crisis). ماشین‌آلات صنعتی به سرعت در حال پیچیده‌تر شدن بودند و تعداد ورودی/خروجی‌ها (I/O) در کارخانجات افزایش یافته بود. از آنجایی که در سیستم‌های مبتنی بر ترانزیستورهای گسسته (مانند سری N)، هر گیت منطقی فضای زیادی از برد مدار چاپی را اشغال می‌کرد، تابلوهای فرمان به غول‌های آهنی چند متری تبدیل شده بودند که فضای کارخانه را می‌بلعیدند.

پاسخ به این بحران، ورود تکنولوژی مدارهای مجتمع (Integrated Circuits - IC) به دنیای اتوماسیون بود. زیمنس با معرفی خانواده SIMATIC C، صدها ترانزیستور، دیود و مقاومت گسسته را که پیش‌تر روی یک برد کامل پخش شده بودند، درون تراشه‌های مشکی‌رنگ پلاستیکی یا سرامیکی با نام پکیج‌های DIP (Dual In-line Package) فشرده کرد. این جهش، حجم تابلوهای فرمان را به کسری از نسل پیشین کاهش داد.

زیمنس برای پوشش دادن تمامی نیازهای صنعت، این خانواده را به سه زیرگروه تقسیم کرد که در اینجا با تمرکز بر ستون فقرات این نسل (یعنی سری C1) آن‌ها را کالبدشکافی می‌کنیم:

 نگاهی گذرا به سری‌های فرعی: SIMATIC C3 و SIMATIC C2

زیمنس برای صنایعی که نیازمند سرعت‌های پردازشی بالا بودند (مانند ماشین‌ابزارهای دقیق و پیش‌درآمدی بر دستگاه‌های CNC امروزی)، دو نسخه خاص را توسعه داد:

• سیستم پرسرعت SIMATIC C3: این سیستم مستقیماً بر پایه منطق TTL (تکنولوژی ۵ ولت) طراحی  شده بود تا سرعت سوئیچینگ در مقیاس مگاهرتز را برای شمارنده‌های سریع وانکودرها فراهم کند. همان‌طور که قبلاً بررسی کردیم، TTL حاشیهنویز بسیار پایینی داشت؛ بنابراین بردهایC3 فقط در تابلوهای کاملاً ایزوله، با کابل‌کشی‌های شدیداً شیلددار و منابع تغذیه فوق‌تثبیت‌شده نصب می‌شدند.
• سیستم میانی SIMATIC C2: یک پلتفرم واسط با سرعت متوسط که سعی داشت توازنی بین سرعتِ C3 و مقاومتِ C1 ایجاد کند، اما در عمل، بیشترین بارِ اتوماسیون کارخانجات سنگین بر دوش برادر بزرگتر یعنیC1 افتاد.

 سیستم مرجع و قدرتمند: SIMATIC C1 (زره‌پوشِ ۱۵ ولتی)

قلب تپنده و محصول اصلی این خانواده، سیستم SIMATIC C1 بود. این سیستم دقیقاً برای همان محیط‌های خشن، پرنویز و بی‌رحمی طراحی شده بود که پیش‌تر جولانگاه SIMATIC N بودند. اما یک چالش بزرگ متالورژیک بر سر راه مهندسان زیمنس وجود داشت: «محدودیت ولتاژ در تراشه‌های سیلیکونی اولیه».

در سیستم گسسته SIMATIC N، استفاده از ولتاژ ۲۴ ولت DC به عنوان استاندارد ایمنی و قدرت، تثبیت شده بود. اما در اواخر دهه ۶۰، فرآیند تولید تراشه‌های مجتمع (IC) نمی‌توانست ولتاژ ۲۴ ولت را درون میکرومترهای سیلیکون تحمل کند؛ عایق‌های درونی تراشه در این ولتاژ دچار شکست الکتریکی (Breakdown) و حرارت شدید می‌شدند. مهندسان زیمنس مجبور به یک عقب‌نشینی تاکتیکی شدند. آن‌ها نمی‌توانستند از ۵ ولت (TTL) استفاده کنند چون نویزِ کارخانه آن را نابود می‌کرد، و تراشه‌های آن زمان نیز تاب تحمل ۲۴ ولت را نداشتند. در نتیجه، آن‌ها سطح ولتاژ سیستم SIMATIC C1 را روی ۱۵ ولت DC (+15V) تنظیم کردند. ولتاژ ۱۵ ولت، حالت بهینه (Optimum State) در تکنولوژی ساخت IC در آن دوران بود: بالاترین ولتاژی که سیلیکونِ مجتمع می‌توانست بدون ذوب شدن تحمل کند، و در عین حال آنقدر بالا بود که بتواند با نویزهای القایی ماشین‌آلات مقابله کند.

 تولد منطق HTL (High Threshold Logic)

برای تضمین اینکه ولتاژ ۱۵ ولت در برابر اسپایک‌های نویز کاملاً مصون بماند، زیمنس از یک معماری جدید در تراشه‌های C1 پرده برداشت که به نام منطق آستانه بالا (HTL - High Threshold Logic) شناخته می‌شود.در معماری قبلی (DTL)، دیودهای معمولی آستانه شکستی در حدود ۰.۷ ولت داشتند. اما در تکنولوژی HTL، مهندسان طراحِ تراشه، یک دیود زِنر (Zener Diode) را مستقیماً درون ساختار سیلیکونی گیت ورودی یکپارچه کردند. دیود زنرِ استفاده شده در این چیپ‌ها، تا زمانی که ولتاژ ورودی به مرز ۷.۵ ولت نمی‌رسید، اجازه عبور هیچ سیگنالی را نمی‌داد.

این طراحی یک شاهکار در فیزیک الکترونیک بود:

• حاشیه نویز ۶ ولتی: سیستم SIMATIC C1 به قدری در برابر نویز مقاوم بود که حتی اگر  یک پارازیت با قدرت ۶ولت به طور ناگهانی روی کابل فرمان القا می‌شد، دیود زنر درِ ورودیِ تراشه آن را مسدود می‌کرد. در حالی که همین پارازیت می‌توانست یک چیپ   TTL را ده‌ها بار ریست کند.

استفاده از پکیج‌های DIP و تکنولوژی HTL باعث شد تا زیمنس بتواند ده‌ها گیت منطقی قدرتمند و ضد نویز را روی یک برد کوچک به ابعاد یوروکارت نصب کند و عصر مینیاتوری‌سازی اتوماسیون صنعتی را رسماً کلید بزند.

 بن‌بست نهاییِ منطق سخت‌افزاری و کابوس «برنامه‌نویسیِ فیزیکی»

با وجود اینکه خانواده SIMATIC C توانست حجم تابلوهای کنترل را به لطف پکیج‌های دیپ (DIP) و مدارهای مجتمع به شدت کاهش دهد و با منطق HTL سدی نفوذناپذیر در برابر نویز بسازد، اما این سیستم همچنان یک وارثِ وفادار برای سنت‌های گذشته بود. در این نسل، سخت‌افزار به غایتِ کمال و فشردگیِ خود رسید، اما روش پیاده‌سازی منطق، صنعت را به یک بن‌بست تاریخی کشاند.

۱. توهم برنامه‌نویسی: وقتی کدها از جنس مِس بودند!

بزرگترین شوک برای یک مهندس اتوماسیون امروزی در مواجهه با خانواده SIMATIC C این است که در این سیستم‌ها، هیچ اثری از کیبورد، مانیتور، کدهای نرم‌افزاری یا حتی حافظه (Memory) وجود نداشت. «برنامه‌نویسی» در دهه ۶۰ و اوایل ۷۰ میلادی، یک فعالیت کاملاً فیزیکی و مکانیکی بود. حوه کاربرد و پیاده‌سازی منطق در SIMATIC C طی سه مرحله انجام می‌شد:

1. طراحی روی کاغذ (Boolean Algebra): مهندس طراح ابتدا فرآیند دستگاه را با استفاده از جبر بول و گیت‌های منطقی  (AND, OR, NOT, Flip-Flop) به صورت یک نقشه شماتیک بسیار بزرگ روی کاغذهای A0 رسم می‌کرد.
2. جای‌گذاری بردها: تکنسین‌ها  بردهای استاندارد SIMATIC C (که هر کدامشامل ده‌ها گیت منطقی HTL بودند)  را  درون رک‌های استاندارد ۱۹ اینچی قرار می‌دادند.
3. سیم‌کشی منطقی (Hard-wiring): اینجا مرحله‌ای بود که عملیات«برنامه‌نویسی» آغاز می‌شد. تکنسین به پشت رک  (Backplane) می‌رفت. پشت رک پر از هزاران پین فلزیِ روکش طلا بود که هر کدام به ورودی یا خروجیِ یکی از گیت‌های روی بردها متصل بودند.      تکنسین با در دست داشتن نقشه، یک ابزار تفنگیِ پنوماتیک به نام Wire-wrapTool برمی‌داشت و پینِ خروجیِ گیتAND شماره ۱ را با یک رشته سیم مسیِ بسیار نازک به پینِ ورودیِ تایمر شماره ۴  به صورت فیزیکی می‌بافت!

به عبارت دیگر، «الگوریتم دستگاه، همان شبکه پیچیده سیم‌هایی بود که در پشت رک تنیده می‌شدند.»

۲. پدیده «اسپاگتیِ سیم‌ها» و فروپاشیِ انعطاف‌پذیری

استفاده از تراشه‌های IC در SIMATIC C یک شمشیر دودم بود. از یک سو، تراکم گیت‌های منطقی روی هر برد بسیار زیاد شد، اما از سوی دیگر، این بدان معنا بود که تعداد پین‌های پشت رک به شکل وحشتناکی افزایش یافت. در یک سیستم کنترلِ متوسط، هزاران رشته سیم متقاطع در پشت رک وجود داشت که منظره‌ای شبیه به یک «کاسه اسپاگتی» را ایجاد می‌کرد.تصور کنید دستگاهی با سیستم SIMATIC C راه‌اندازی شده و در حال کار است. ناگهان مدیر کارخانه تصمیم می‌گیرد یک سنسور ایمنی جدید به خط تولید اضافه کند که در صورت فعال شدن، موتور اصلی را متوقف کند. در یک PLC امروزی، این کار با نوشتن دو خط کد در نرم‌افزار در عرض یک دقیقه انجام می‌شود. اما در دوران SIMATIC C، تکنسین باید دستگاه را متوقف می‌کرد، به پشت تابلوی تاریک می‌رفت، در میان هزاران سیم مسیِ هم‌رنگ که روی هم تنیده شده بودند، سیم مربوط به مدار موتور را پیدا می‌کرد، اتصال Wire-wrap آن را با ابزار خاصی باز می‌کرد، سیم سنسور جدید را به یک گیت خالی OR می‌کشید، و خروجی آن گیت را دوباره به مدار موتور سیم‌کشی می‌کرد. این فرآیند گاهی روزها زمان می‌برد و یک اشتباه کوچک (مثلاً بستن سیم دور پینِ اشتباه در تاریکی پشت تابلو) می‌توانست به سوختن قطعات یا رفتار خطرناک ماشین منجر شود.

۳. بن‌بست نهایی: تولد  دردناک عصر نرم‌افزار

سیستم SIMATIC C نقطه پایان تکاملِ منطق سیم‌کشی شده (Hard-wired Logic) بود. طراحان زیمنس به این درک دردناک رسیدند که قطعات الکترونیکی دیگر نمی‌توانند از این کوچکتر یا مقاوم‌تر شوند؛ مشکل اصلی در «نحوه شکل‌دهی به ارتباطات» بود. صنعت خودروسازی که نیازمند تغییرات سریع در خطوط مونتاژ برای مدل‌های جدید بود، دیگر تحمل هفته‌ها توقف برای «تغییر سیم‌کشی پشت رک‌ها» را نداشت.

این فشردگی، ناامیدی و نیاز به انعطاف‌پذیریِ آنی، همان جرقه‌ای بود که ایده رادیکال «جداسازی سخت‌افزار از منطق» را در ذهن مهندسان شعله‌ور کرد. رویایی که در آن سخت‌افزار ثابت بماند و الگوریتم، به جای سیم‌های مسی، در قالب کدهای نرم‌افزاری درون یک «حافظه» نوشته شود.این رویا، پایان دوران SIMATIC C و سرآغاز انفجار بزرگ تاریخ اتوماسیون، یعنی تولد کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) در نسل بعدی بود.

 بحران انعطاف‌پذیری، شوک آمریکایی و تولد SIMATIC S3 در عصر نرم‌افزار

در پایان دهه ۱۹۶۰ میلادی، چشم‌انداز اقتصاد جهانی و به تبع آن صنعت تولید، دستخوش تغییراتی بنیادین شد. غول‌های خودروسازی جهان، به ویژه در ایالات متحده (نظیر جنرال موتورز و فورد)، وارد یک رقابت مرگبار برای تسخیر سلیقه متغیرِ مشتریان شده بودند. تا پیش از آن، یک مدل خودرو برای سال‌ها روی یک خط تولید ثابت مونتاژ می‌شد؛ اما اکنون کارخانجات مجبور بودند خطوط تولید خود را به صورت سالانه برای مدل‌های جدید بازطراحی کنند.این نیاز حیاتی به «تغییرات سریع»، سیستم‌های اتوماسیونِ آن دوران را با یک بحران تمام‌عیار مواجه کرد. همان‌طور که در بررسی نسل‌های پیشین (نظیر SIMATIC C و N) دیدیم، منطقِ این سیستم‌ها به صورت فیزیکی و با تکنیک Wire-wrap (بافتن سیم‌های مسی در پشت رک‌ها) شکل می‌گرفت. هرگونه تغییر در فرآیند تولیدِ ماشین‌آلات، به معنای دور ریختن بردهای قدیمی، نقشه‌خوانیِ مجدد و هفته‌ها کار دستی برای باز کردن و سیم‌کشیِ هزاران اتصال فیزیکی بود. در صنعت خودروسازی که هر دقیقه توقفِ خط تولید معادل ده‌ها هزار دلار ضرر بود، این سطح از عدم انعطاف‌پذیری دیگر به هیچ‌وجه قابل تحمل نبود. مدیریت ارشد جنرال موتورز برای خروج از این بن‌بست فیزیکی، رسماً یک درخواست جهانی (RFP) برای ساخت جایگزینی «سریعاً قابل‌تغییر» صادر کرد.

 شوک آمریکایی: ایده رادیکال دیک مورلی

در سال ۱۹۶۸، مهندسی آمریکایی به نام ریچارد (دیک) مورلی با تاسیس شرکت Bedford Associates، پاسخی به جنرال موتورز داد که تاریخ مهندسی اتوماسیون را به دو نیمه (پیش از نرم‌افزار و پس از نرم‌افزار) تقسیم کرد.

ایده مورلی به طرز نبوغ‌آمیزی رادیکال بود: او پیشنهاد داد که سخت‌افزارِ فیزیکی (پایه‌های ورودی و خروجی) کاملاً ثابت بماند، اما ارتباط میان آن‌ها به جای سیم‌های مسی، توسط مجموعه‌ای از دستوراتِ «صفر و یک» شکل بگیرد که درون یک «حافظه» (Memory) نوشته می‌شوند. مورلی با این ایده دستگاهی به نام Modicon 084 را خلق کرد که اولین PLC (کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر) در تاریخ لقب گرفت. تکنسین‌ها اکنون می‌توانستند با اتصال یک دستگاه برنامه‌ریز، الگوریتم یک ماشین غول‌پیکر را در عرض چند دقیقه و بدون لمس کردن حتی یک سیم تغییر دهند. این اختراع، زلزله‌ای در صنایع اروپا و به ویژه در راهروهای دپارتمان تحقیق و توسعه شرکت زیمنس ایجاد کرد.

 پاسخ استراتژیک زیمنس و راز نام‌گذاری SIMATIC S3

زیمنس که تا آن زمان تمام انرژیِ دپارتمان R&D خود را روی تکامل متالورژیک ترانزیستورها (ژرمانیوم به سیلیکون) و مدارهای مجتمع گذاشته بود، متوجه شد که پارادایم صنعت از «مهندسی مدار» به سمت «معماری کامپیوتر و پردازش دیجیتال» تغییر کرده است. زیمنس برای حفظ سلطه خود بر بازار اروپا، با سرعتی بی‌نظیر وارد عمل شد و در سال ۱۹۷۳ از اولین PLC ساخت خود پرده‌برداری کرد.

با معرفی این محصول، زیمنس برای اولین بار سنت تاریخی نام‌گذاری خود را که بر اساس متریال سازنده (مانند G) یا سرعت سوئیچینگ (مانند N و C) بود، برای همیشه کنار گذاشت و نام محصول جدید را SIMATIC S3 گذاشت. این نام، حامل پیام‌های مهندسی عمیقی بود:

• معنای حرف S (عبور از عصر سیم‌کشی): حرف S در این سری و تمام پرچمدارانِ پس از آن (S5 و S7)، از کلمه آلمانی Steuerung (به معنای کنترل‌کننده) وام گرفته شد. اما در ادبیات مهندسیِ زیمنس، این حرف نمادی از کلمه حیاتیِ Speicherprogrammierbare (برنامه‌پذیرِ مبتنی بر حافظه) بود که معادلِ آلمانیِ عبارت PLC در زبان انگلیسی (SPS) است. انتخاب حرف S یک بیانیه رسمی بود: «ما وارد عصر حافظه شده‌ایم.»
• معنای عدد ۳ (میراث کالبد فیزیکی): انتخاب عدد ۳ نشان‌دهنده یک استراتژیِ هوشمندانه برای سرعت بخشیدن به عرضه محصول بود. زیمنس برای پیروزی سریع در رقابت با سیستم‌های آمریکایی، زمان کافی برای طراحی مکانیکیِ یک پلتفرم و رکِ کاملاً جدید نداشت.  بنابراین، مهندسان زیمنس از رک‌های استاندارد، منابع تغذیه قدرتمند و زیرساخت  فیزیکیِ پرسرعت‌ترین سیستم سخت‌افزاریِ نسلِ قبل خود، یعنی SIMATIC C3 استفاده  کردند. آن‌ها بردهای منطقیِ سیم‌کشی‌شدهِ C3 را بیرون کشیدند و بردهای جدیدِ پردازنده (CPU) و حافظه را در همان کالبد جای‌گذاری کردند.

بنابراین، SIMATIC S3 نمادی از تلفیق شگفت‌انگیزِ «روح نرم‌افزاریِ جدید در کالبد سخت‌افزاریِ تکامل‌یافته» بود.

زیمنس بعدها کنترلرهای بسیار کوچک و ساده‌تری را با نام‌های S1 و S2 برای کاربردهای محدود معرفی کرد، اما پرچمدار و اولین فرزند این انقلاب، S3 بود

کالبدشکافی سخت‌افزارِ S3 و قمارِ زیمنس بر روی حافظه‌های نیمه‌هادی

با تولد SIMATIC S3، تابلوهای فرمانِ صنعتی از معماریِ «مدارهای موازی» فاصله گرفتند و معماری کامپیوتری فون نویمان (Von Neumann) را پذیرفتند. سیستم به سه بلوک مجزا تقسیم می‌شد: واحد پردازش مرکزی (CPU)، کارت‌های ورودی/خروجی (I/O) و در نهایت مهم‌ترین و چالش‌برانگیزترین بخش یعنی حافظه (Memory).

اما بزرگترین چالش زیمنس در این معماری، «بحران قطع برق و پاک شدن برنامه» در محیط خشن کارخانه بود. زیمنس برای حل این بحران، به جای استفاده از حافظه‌های سنگین و مغناطیسی (Core Memory) که رقبا استفاده می‌کردند، روی تکنولوژی نوظهورِ تراشه‌های سیلیکونی قمار کرد و ساختار حافظه S3 را به دو بخش کاملاً متمایز تقسیم نمود:

۱. حافظه برنامه‌نویسی و راه‌اندازی: تراشه‌های RAM و چالشِ باتری

در زمان راه‌اندازی (Commissioning) یک خط تولید، تکنسین‌ها مجبورند ده‌ها بار برنامه را تغییر دهند، تست کنند و دوباره اصلاح کنند. برای این کار، زیمنس کارت‌های حافظه‌ای مبتنی بر تراشه‌های RAM (Random Access Memory) را معرفی کرد. تراشه‌های RAM بسیار سریع بودند و با دستگاه‌های PG به راحتی خوانده و نوشته می‌شدند. اما این حافظه‌ها یک نقطه ضعف کُشنده داشتند: از نوع «فرار» (Volatile) بودند و به محض قطع شدن برق کارخانه، تمام صفر و یک‌های درون آن‌ها پاک می‌شد.

راه‌حل زیمنس (باتری پشتیبان): زیمنس برای حفظ برنامه، یک محفظه باتری (معمولاً باتری‌های نیکل-کادمیوم یا لیتیومیِ اولیه) بر روی منبع تغذیه (Power Supply) یا کارت پردازنده تعبیه کرد. این باتری پشتیبان (Pufferbatterie) موظف بود در زمان قطع برق اصلی، ولتاژ بسیار ضعیفی را به پایه‌های تراشه RAM برساند تا اطلاعاتِ برنامه در آن «زنده» بماند.

کابوس خطای انسانی: این راه‌حل، استرس جدیدی به تیم‌های نگهداری تزریق کرد. اگر چراغ هشدارِ «BATT LOW» روی ماژول تغذیه روشن می‌شد و تکنسین تعویض باتری را در زمان روشن بودن دستگاه فراموش می‌کرد، با اولین خاموشیِ کارخانه، مغز دستگاه کاملاً پاک می‌شد!

۲. حافظه دائم و نهایی: تکنولوژی PROM و EPROM

زیمنس می‌دانست که نمی‌توان امنیت یک خط تولید چند میلیون دلاری را برای همیشه به یک باتریِ کوچک گره زد. بنابراین، برای مرحله پس از راه‌اندازی (زمانی که برنامه نهایی و بدون باگ بود)، نوع دوم حافظه را وارد میدان کرد: تراشه‌های حافظه دائم (EPROM / PROM).

پس از آنکه ماشین در حالت RAM تست می‌شد، تکنسین کارتِ حافظه را خارج می‌کرد و آن را درون یک ماژولِ خاص روی دستگاه PG قرار می‌داد. دستگاه با استفاده از ولتاژ بالا، برنامه را به صورت فیزیکی روی تراشه EPROM «می‌سوزاند» (Burning). این تراشه‌ها غیرفرار (Non-volatile) بودند و برای حفظ برنامه به هیچ باتری یا جریان برقی نیاز نداشتند. اگر کارخانه‌ای سال‌ها خاموش می‌ماند، کدهای درون EPROM دست‌نخورده باقی می‌ماندند. این تراشه‌ها تنها با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش (UV) قابل پاک شدن و برنامه‌ریزی مجدد بودند.

جمع‌بندی استراتژی زیمنس: ترکیب هوشمندانه RAM (برای انعطاف‌پذیری در برنامه‌نویسی) و EPROM (برای امنیتِ ابدی در زمان کار)، فرمولِ برنده‌ای بود که سیستم SIMATIC S3 به صنعت معرفی کرد؛ فرمولی که در دهه‌های بعد به استانداردِ بی‌چون‌وچرای تمام PLCهای جهان تبدیل شد.

 معمای برنامه‌نویسی در دوران پیشا-PC و تولد دستگاه‌های PG

(PC  before PC)

در عصر حاضر، برنامه‌نویسی یک سیستم کنترل صنعتی (مانند سیستم‌هایی که با TIA Portal برنامه‌نویسی می‌شوند) مستقیماً از طریق یک لپ‌تاپ راحت و مانیتورهای گرافیکی انجام می‌شود. اما در سال ۱۹۷۳، کامپیوترهای شخصی (PC)، سیستم‌عامل‌های گرافیکی و مانیتورهای ارزان‌قیمت هنوز اختراع نشده بودند.

یک مهندس اتوماسیون چگونه می‌توانست الگوریتم خط تولید را وارد حافظه‌های مغناطیسی SIMATIC S3 کند؟

پاسخ زیمنس به این محدودیت تکنولوژیک، خلق دستگاه‌های سنگین، گران‌قیمت و اختصاصی به نام PG (Programming Device یا در آلمانی Programmiergerät) بود.

 راز نام‌گذاری: چرا اولین دستگاه، PG2 نام گرفت؟

اولین ابزار برنامه‌نویسی که زیمنس به همراه SIMATIC S3 روانه بازار کرد، دستگاهی غول‌پیکر به نام PG2 (و بعدها سری‌های تکامل‌یافته آن نظیر PG20) بود. اما چرا نام این دستگاه از عدد ۲ شروع شد؟ پاسخ در دوران پیش از نرم‌افزار پنهان است. در اواخر عصر خانواده سخت‌افزاری SIMATIC C، طراحان زیمنس برای تست کردن لاجیکِ بردهای سیم‌کشی‌شده در داخل دپارتمان تحقیق و توسعه (R&D)، ابزارهای تستِ آنالوگ و بزرگی ساخته بودند که معادل غیررسمیِ نسل اول (PG1) محسوب می‌شدند. با تولد S3 و نیاز به تایپِ کدهای نرم‌افزاری، زیمنس نسل دوم این ابزارها را که اکنون دارای کیبورد الکترونیکی بودند، به عنوان یک محصول تجاری و مستقل با نام خانواده PG2 به جهان معرفی کرد.

۲. کالبدشکافی دستگاه‌های PG اولیه و کابوس «برنامه‌نویسیِ یک‌خطی»

این دستگاه‌ها هیچ شباهتی به کامپیوترهای امروزی نداشتند و از سه بخش اصلی تشکیل می‌شدند:

1. صفحه کلید اختصاصی: یک  کیبورد مکانیکی که به جای حروف الفبای کامل، کلیدهایی با علائم خاصِ منطقی (مانند AND, OR, LOAD) روی آن تعبیه شده بود.
2. ذخیره‌سازی مغناطیسی: برای ذخیره برنامه و انتقال آن به حافظه PLC، از کاست‌های نوار مغناطیسی (شبیه به نوارهای ضبط صوت قدیمی) یا نوارهای کاغذی پانچ‌شده استفاده می‌شد.
3. نمایشگرهای تک‌خطی (Blind Programming): مانیتورهای لامپ تصویر (CRT) در آن زمان بسیار گران و جاگیر بودند. بنابراین دستگاه PG2 تنها  دارای یک نوارِ نمایشگرِ ال‌ای‌دی یا سون‌سگمنت بود که در هر لحظه، فقط یک خط از کد را به برنامه‌نویس نشان می‌داد! مهندس باید دیاگرام منطقی را روی یک نقشه کاغذی بزرگ (A0) رسم  می‌کرد و سپس خط به خط کدها را روی کیبورد تایپ می‌کرد. پیدا کردن یک اشتباه منطقی روی نمایشگری که فقط یک خط را نشان می‌دهد، نیازمند تمرکز خارق‌العاده‌ای  بود.

تقابل فلسفه‌ها؛ زایش AWL در اروپا و LAD در آمریکا

با وجود سخت‌افزار PG، بزرگترین چالش در سال ۱۹۷۳ یک بحران منابع انسانی بود. در کارخانجات، هزاران تکنسین برق وجود داشتند که استاد خواندنِ «نقشه‌های مدار فرمان» بودند، اما از علوم کامپیوتر چیزی نمی‌دانستند. در اینجا، تاریخ اتوماسیون شاهد دو پاسخ کاملاً متفاوت در دو سوی اقیانوس اطلس بود:

۱. رویکرد آمریکایی: مودیکان و اختراع زبان LAD (Ladder Logic)

همان‌طور که در تاریخچه اولین PLC جهان (Modicon 084) بررسی کردیم، ایده جداسازی سخت‌افزار از منطق ابتدا در آمریکا شکل گرفت. اما از نظر اجرا، مودیکان یک محفظه فلزیِ مقاوم (Ruggedized Box) و نظامی‌شکل بود. دیک مورلی (مخترع مودیکان) می‌دانست که کارگران خط تولیدِ جنرال موتورز توانایی یادگیری هیچ زبان متنی یا کدی را ندارند. بنابراین او یک رابط کاربریِ کاملاً گرافیکی اختراع کرد که دقیقاً کپیِ «نقشه مدار فرمان رله‌ایِ آمریکایی» بود (با خطوط تغذیه در دو طرف و کنتاکت‌ها در وسط). این زبان به دلیل شباهتش به نردبان، LAD (Ladder Logic) نام گرفت.

حقیقت تاریخی: زبان گرافیکی LAD اولین زبان برنامه‌نویسی PLC در جهان بود که در آمریکا متولد شد، اما زیمنس در آلمان مسیر کاملاً متفاوتی را انتخاب کرد.

۲. رویکرد اروپایی زیمنس: تولد زبان متنی AWL (STL)

زیمنس S3 بر خلاف مودیکان، بر پایه استانداردهای تابلوییِ یوروکارت (رک‌مونت) طراحی شد و از زبان گرافیکی LAD استفاده نکرد. انتخاب زیمنس برای اولین زبان برنامه‌نویسی، یک زبان مبتنی بر متن به نام AWL (Anweisungsliste) یا لیست دستورالعمل‌ها بود. این انتخاب دو دلیل تاریخی مستحکم داشت:

1. محدودیت سخت‌افزار PG: دستگاه‌های برنامه‌ریز زیمنس (مانند PG2) فاقد مانیتورهای گرافیکی برای رسم اَشکالِ  کُنتاکت و کویل بودند.
2. ذهنیت مهندسان آلمانی: تکنسین‌های آلمانی (Mechatroniker) به دلیل سیستم آموزشی هنرستان‌های صنعتی در اروپا، درک بسیار بالایی از جبر بول (Boolean Algebra) داشتند. مهندسان زیمنس معتقد بودند زبان متنیِ AWL، ساختاری بسیار دقیق‌تر و منعطف‌تر از    نقشه‌های گرافیکی دارد.

۳. آناتومی زبان AWL؛ پل زدن بین مکانیک و نرم‌افزار

زبان AWL در واقع ترجمهِ متنیِ همان نقشه‌های سیم‌کشیِ رله‌ای به حروف الفبا بود. هر خط از کد شامل سه بخش بود: عملیات (چه کاری؟)، عملوند (روی چه چیزی؟)، و آدرس فیزیکی.

فرض کنید در یک تابلوی رله‌ای، تکنسین باید «سنسور فشار (I 1.0)» را با «سوئیچ حرارتی (I 1.1)» سِری (Series) کند تا «موتور پمپ (Q 2.0)» روشن شود. این مدار در کیبورد دستگاه PG به این شکل برای S3 تایپ می‌کرد:

• U I 1.0 (حرف U مخفف Und در آلمانی به معنای AND است. یعنی وضعیت سنسور فشار را بخوان و با   خط بعدی سِری کن).
• U I 1.1 (سوئیچ حرارتی را بخوان و با قبلی  سِری کن).
• = Q 2.0 (نتیجه این مدار سِری را به موتور   پمپ ارسال کن).

 زبان AWL یک شاهکار در رابط کاربری بود. زیمنس الفبای پردازنده خود را با زبان مادریِ تکنسین‌ها (یعنی مفهوم مدارهای سِری و موازی) هماهنگ کرد. مهندس برق احساس می‌کرد در حال تایپ کردنِ همان مداری است که تا دیروز با سیم مسی می‌بست. این احساسِ آشنایی، مقاومت فرهنگی در برابر نرم‌افزار را در اروپا در هم شکست و زبان AWL را تا دهه‌ها به زبان استاندارد و بی‌رقیب برنامه‌نویسی در اتوماسیون آلمان تبدیل کرد (در حالی که زیمنس زبان گرافیکی LAD را سال‌ها بعد و در نسل‌های بعدی، برای تطابق با بازارهای جهانی به سیستم‌های خود اضافه کرد).

طول عمر کوتاه S3، محدودیت‌های فیزیکی و زایش امپراتوری SIMATIC S5

با وجود تمام نوآوری‌های شگفت‌انگیزِ SIMATIC S3 در سال ۱۹۷۳، اگر به خط زمانی (Timeline) محصولات زیمنس نگاه کنیم، متوجه یک ناهنجاری می‌شویم: چرخه حیاتِ تجاریِ سیستم S3 تنها حدود شش سال (تا سال ۱۹۷۹) به طول انجامید.

در صنعت اتوماسیون — جایی که انتظار می‌رود ماشین‌آلات حداقل ۲۰ تا ۳۰ سال کار کنند — عمر شش‌ساله برای یک پلتفرمِ پرچمدار، به طرز عجیبی کوتاه است. اما دلیل این مرگ زودهنگام، «شکست» نبود؛ بلکه سرعتِ وحشتناکِ پیشرفت در دره سیلیکون (Silicon Valley) و محدودیت‌های کالبدیِ خود S3 بود که آن را به یک «سیستمِ در حال گذار» تبدیل کرد.

سه عامل اصلی باعث شدند تا S3 خیلی زود جای خود را به نسل بعدی بدهد:

۱. محدودیتِ کالبد فیزیکی و میراثِ سنگین C3

همان‌طور که در راز نام‌گذاری بررسی کردیم، S3 در واقع روحِ نرم‌افزار در کالبدِ سخت‌افزارِ نسل قبل (SIMATIC C3) بود. رک‌های بزرگ، کارت‌های حجیم و سیم‌کشی‌های داخلیِ پیچیده در این سیستم، اجازه کوچک‌سازی را به زیمنس نمی‌داد. صنعت در اواخر دهه ۷۰ به PLCهایی نیاز داشت که بتوانند به صورت ماژولار و فشرده در تابلوهای کوچک‌تر نصب شوند، اما معماری C3 ظرفیت چنین انعطافی را نداشت.

۲. انفجار میکروپروسسورهای تک‌تراشه‌ای (Single-Chip Microprocessors)

در اواسط دهه ۷۰ میلادی، جهانِ الکترونیک شاهد یک انفجار تکنولوژیک بود. در زمان طراحی S3، پردازنده‌ها هنوز مجموعه‌ای از بردهای پیچیده و قطعات دیجیتالِ حجیم بودند. اما تنها چند سال بعد، شرکت‌هایی مانند اینتل، میکروپروسسورهای ارزان‌قیمت، کوچک و قدرتمندی (مانند سری‌های 8080 و 8086) را روانه بازار کردند که قدرتِ یک رک کامل از S3 را در یک تراشه کوچکِ سیلیکونی خلاصه می‌کردند. S3 با معماری پردازشیِ حجیمِ خود توان رقابت با این تراشه‌های جدید را نداشت.

۳. چگالی پایین حافظه‌های اولیه و کابوس باتری

اگرچه زیمنس با هوشمندی از تکنولوژی RAM و EPROM در S3 استفاده کرد، اما تراشه‌های رم در سال ۱۹۷۳ ظرفیت بسیار پایینی داشتند (در حد چند کیلوبایت) و فضای فیزیکی زیادی را روی برد اشغال می‌کردند. با پیچیده‌تر شدن خطوط تولید، کارخانجات به الگوریتم‌های طولانی‌تری نیاز داشتند. علاوه بر این، وابستگی به باتری پشتیبان (Pufferbatterie) برای حفظ اطلاعات RAM، استرس بالایی به تکنسین‌ها وارد می‌کرد.

در سال ۱۹۷۹، زیمنس با استفاده از جدیدترین میکروپروسسورهای جهان و حافظه‌های EPROM، از پلتفرمی پرده‌برداری کرد که تاریخ مهندسی را برای همیشه تغییر دادSIMATIC S5

در قسمت بعد به بررسی تاریخچه این سری از سیستم های کنترل زیمنس خواهیم پرداخت