شبکه های ارتباطی

در يك سيستم مدرن اتوماسيون صنعتي , ارتباط داده ها بين هر يك از دستگاههاي اتوماسيون نقش مهمي ايفا مي كند , هدف از استانداردهاي بين اللملي برقراري ارتباط بين همه دستگاههاي مختلف اتوماسيون است. از اين رو كوششهائي جهت استانداردسازي بين المللي در زمينه شبكه ها صورت گرفت كه دستاورد مهم آن پروتكل اتوماسيون صنعت (MAP)در راستاي سازگاري سيستم هاي ارتباطي بود. پروتكل MAP جهت غلبه بر مشكلات ارتباطي بين دستگاههاي مختلف اتوماسيون گسترش پيدا كرد و بعنوان يك استاندارد صنعتي جهت ارتباطات داده اي در كارخانه ها پذيرفته شد .
عملكرد و قابليت اطمينان يك سيستم اتوماسيون صنعتي در حقيقت به شبكه ارتباطي آن بستگي دارد .
در يك شبكه ارتباطي اتوماسيون صنعتي , بهبود عملكرد شبكه وقابليت اطمينان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سيستم و افزايش حجم اطلاعات تعيين مي گردد.

يك شبكه ارتباطي جهت يك سيستم اتوماسيون صنعتي بايد داراي شرايط زير باشد :
1-قابل استفاده بودن شبكه 2-توان عملياتي مناسب شبكه  3-ميانگين تاخير انتقال اطلاعات قابل قبول.
به علاوه عوامل موثر بر عملكرد صحيح يك سيستم اتوماسيون صنعتي مي تواند شامل موارد زير باشد:
1-ارزيابي كارايي يك شبكه ارتباطي توسط يكي از روشهاي شبيه سازي يا تحليلي.
2-مطالعه كارايي شبكه در يك محيط نويزي .) نويز حاصل از روبوتهاي جوشكاري و موتورهاي بزرگ و غيره (
3-تنظيم صحيح پارامترهاي ارتباطي شبكه . در يك سيستم اتوماسيون صنعتي شبكه ارتباطي يك جز مهم مي باشد. زيرا عهده دار تبادل اطلاعات است. بنابراين جهت دست يافتن به مقادير صحيح بايستي اتصالات ارتباطي بين ايستگاههاي مختلف شبكه ارتباطي بدرستي صورت گرفته باشد.

 

سطوح سلسله مراتبي سيستم هاي اتوماسيون صنعتي

سيستم هاي اتوماسيون صنعتي مي توانند خيلي مجتمع و پيچيده باشند ولي عموما” به سطوح سلسله مراتبي ساختار بندي مي شوند. هر سطح شرايط متفاوتي در شبكه ارتباطي دارد . در مثال فوق يك ساختار سلسله مراتبي از يك سيستم اتوماسيون صنعتي نشان داده شده است.

 

 

Element سطح

سطح فيزيكي اتوماسيون شامل دستگاها و سنسورهاي عمل كننده است كه پردازش هاي فني را انجام مي دهند.

Field Level سطح فيلد

پايين ترين سطح اتوماسيون سطح Field است كه شامل دستگاههاي كنترلي مانند PLC وCNC  است. دستگاههاي فيلد اصلي معمولا “طبقه بندي شده اند كار دستگاهها در سطح فيلد انتقال اطلاعات بين پروسه توليد محصول و پردازش هاي فني است .اطلاعات ممكن است باينري يا آنالوگ باشد .
جهت ارتباط سطح فيلد معمولا” از كابلهاي چند رشته اي موازي و رابطهاي سريال استفاده مي شود . استانداردهاي ارتباطي سريال مانند RS232C , RS422و RS485 و نوعهاي عمومي ديگر با استاندارد ارتباطي موازي IEEE488با هم استفاده مي شود. روشهاي ارتباطي ۵نقطه به نقطه در شبكه ارتباطي از لحاظ قيمت كابل كشي و كيفيت ارتباط مقرون به صرفه بودند. امروزه  Field Busيك نوع شبكه صنعتي اغلب براي انتقال اطلاعات در سطح فيلد بكار مي رود .از آنجاييكه در يك فرايند اتوماسيوني زمانبندي درخواستها بايد بطور دقيق اجرا شود, برنامه هاي كنترل كننده هاي اين سطح عمليات انتقال چرخشي نياز دارند كه اطلاعات را در فواصل زماني مشخص انتقال دهند و اطلاعات تعيين شده را براي كم كردن زمان انتقال به قسمتهاي كوچكتر تقسيم كنند.

 

(Cell Level) Cell سطح

در سطح  Cellجريان داده ها اساسا” شامل : بارگزاري برنامه ها ‚ مقادير و اطلاعات است كه در طول فرايند توليد انجام مي شود.
جهت دستيابي به درخواستهاي ارتباطي در اين لايه از شبكه هاي سرعت بالا استفاده مي شود. بعد از تعريف اصطلاحات CIMو Dccsبسياري از شركتها قابليتهاي شبكه هايشان را جهت سطح Cellسيستم اتوماسيون افزايش دادند.
Ethernet۶همراه با TCP/IP۷بعنوان يك استاندارد واقعي براي اين سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست يك ارتباط وابسته به زمان (Real-Time) را فراهم كند.

(Area Level) Area سطح

در سطح Cell , Area ها گروه بندي شده و توسط يك برنامه عملا” شبيه سازي و مديريت مي شوند . توسط لايه , Areaعملكرد كنترل كننده ها بررسي شده و فرايند و اعمال كنترل كننده اي مانند : تنظيمات توليد ‚ خاموش و روشن كردن ماشين و فعاليتهاي ضروري توليد مي شود.

 

(Plant Level) Plant سطح

بالاترين سطح يك سيستم اتوماسيون صنعتي است كه كنترل كننده آن اطلاعات مديريتي سطح Area را جمع آوري و كل سيستم اتوماسيون را مديريت مي كند.

 

وسيله انتقال 

معيار اصلي در انتخاب يك شبكه ارتباطي , سيستم كابل بندي فيزيكي يا وسيله انتقال است. كه اغلب كابلهاي كواكسيال يا Twistedمي باشد. فن آوري هاي فيبر نوري و بي سيم هم به تازگي استفاده مي شوند. كابل كواكسيال جهت انتقال سريع داده در مسافتهاي چندين كيلومتري استفاده مي شود كه عموما “ در دسترس بوده و قيمت نسبتا” پائيني دارد و به آساني نصب و نگهداري مي شود براي همين در شبكه هاي ارتباطي صنعتي زياد استفاده مي شود.
كابل  Twisted Pair(زوج به هم تابيده( جهت انتقال اطلاعات با سرعت چندين مگابايت در ثانيه برروي مسافتهاي ۱كيلومتر يا بيشتر استفاده مي شود اما همين كه سرعت افزايش مي يابد حداكثر طول كابل كاهش مي يابد. اين كابل سالهاست كه در شبكه هاي ارتباطي صنعتي استفاده مي شود و از كابل كواكسيال ارزانتر است اما ظرفيت انتقال بالایی ندارد و نسبت به امواج الكترومغناطيسي آسيب پذير است. كابل فيبر نوري مقاوم در برابر امواج الكترومغناطيسي بوده و داراي ظرفيت انتقال داده بالايي در حد گيگا بايت است. هرچند كه تجهيزات آن گران و بكاربردن آن براي ارتباطات چند منظوره مشكل ترمي باشد ولي باعث انعطاف پذيري بيشتر مي شود. استفاده از Wireless نيز در بسياري از كارهاي موقتي و موبايلي بهترين راه حل است كه زياد استفاده مي شود.

 

روشهای انتقال
انتقال اطلاعات مي تواند بصورت ديجيتال يا آنالوگ باشد , مقادير داده اي آنالوگ دائما “ تغيير مي كند ولي در ارتباط ديجيتال مقادير داده فقط مي تواند شامل ۰يا ۱باشد.
فرستنده اطلاعات مي تواند خود را همزمان يا غير همزمان نمايد كه بستگي به مسير ارسال اطلاعات دارد. در روش انتقال همزمان كاراكترها با استفاده از كدهاي Start , Stopارسال مي شوند و هر كاراكتر مي تواند مستقلا “ و با سرعت يكنواخت ارسال شود. روش ارسال همزمان روش كارآمدتري مي باشد زيرا اطلاعات در بلوكهايي از كاراكترها ارسال مي شود و مسير صحيح و زمان رسيدن هر بيت قابل پيش بيني است زيرا زمان ارسال و دريافت با هم همزمان (هماهنگ) هستند.
روشهاي ارسال در شبكه هاي ارتباط صنعتي شامل Base Bandو Broadbandو CarrierBandمي باشد در روش Base Bandارسال توسط مجموعه اي از سيگنالها صورت مي گيرد بدون تبديل شدن به فركانس ولي در Broadbandداده ها بصورت رنجي از فركانسها كه در يك كانال تقسيم مي شوند ارسال مي شوند. در روش Carrie Bandفقط از يك فركانس جهت ارسال و دريافت اطلاعات استفاده مي شود.

 

ملزومات ارتباطي سيستم هاي اتوماسيون صنعتي
ملزومات ارتباط ممكن است به سطح سلسله مراتبي سيستم هاي اتوماسيون صنعتیوابسته باشد. اين بخش راجع به ملزومات ارتباطي سطح فيلد و سطح Cell نمودار سلسله مراتبـي توضـيح مـيدهد.

 ارتباطات سطح فيلد
در اين سطح براي تبادل اطلاعات از سنسورهاي ويژه و محركهايي كه روي آن سنسـورها بـه تجهيـزات كنترلـي مجهز هستند استفاده مي شود.
ملزومات ارتباطي در اين سطح عبارتند از :
1-زمانهاي پاسخ خيلي كوتاه : براي مدار كنترلي سريع و سيستمهاي ايمني زمانهاي پاسخ در حد ميكرو تا ميلي ثانيه لازمند.

2-تحمل پذيري در برابر محيطهاي شلوغ : دستگاههاي سطح فيلد معمولا” در محيطهاي مضر پياده مي شـوند در نتيجه پوشش حفاظتي يا سطح ايمني احتياج دارند.
3-فاصله زياد : اتصال دستگاهها در فاصله هاي دور جهت عمليات راه دور بايد ممكـن باشـد ماننـد: ايسـتگاههاي
پمپاژ.
4-قدرت توزيع : قدرت (تغذيه) بطور نرمال برروی دو كابل سيمي جهت دستگاههاي اين سطح توزيع شده . ايـن تغذيه ازساير تغذيه هاي محيط جداست و در مواقع ضروري پشتيبان دارد

ارتباطات سطح Cell
در سطح Cell دستگاههاي كنترلي , كنسولهای عملياتي و ايستگاهها با هم در ارتباطند.


ملزومات ارتباط در لايه Cell :


1- زمانهاي پاسخ كوتاه : جهت ارتباط كنترلي بين ايستگاههاي شبكه و براي ارسال سـيگنالهاي خطـا, زمانهـاي ميلي ثانيه تا ثانيه اي لازمند زيرا مقدار زيادي از اطلاعات ممكن است در يك زمان درخواست شود.
2-تحمل پذيري در برابر محيطهاي شلوغ : چنانچه ايستگاههاي شبكه به سطح فيلـد انتقـال يابنـد سـخت افـزار سيستم بايستي نسبت به امواج الكترومغناطيسي , فركانسهاي راديويي و درجه حرارت بالا و شرايط جوي مقاوم طراحي شده باشند.
3-قابليت دسترسي به مقدار زياد: براي غلبه بر وابستگي هاي عملياتي ,قابليت دسترسي سيستم بايـد بـه %۱۰۰ برسد. لذا در برخي موارد ممكن است بكار بردن كانالهاي ارتباطي اضافي لازم باشد.
4- امنيت : دسترسي به سيستم كنترلي بايد طوري طراحي شده باشد كه از تصادفات داده اي و كاربرد غيرمجـاز كه منجر به مختل كردن عملكرد محيط مي شود جلوگيري شود و از اطلاعات مهم عملياتي نگهداري شود.
5- پشتيباني تغذيه : در صورت خرابي تغذيه الكترونيكـي از بكـاپ بـراي منـابع قـدرت اضـافي ‚ بـاطري هـا و ژنراتورهاي توليد برق استفاده مي كنند .
6-مديريت شبكه : مديريت شبكه بايد روشهاي ترميم خطا ‚ پيكربندي مجدد سيستم ‚ امنيت ‚تشخيص كـارايي ‚ حسابداري ‚عيب يابي خطا ‚ نگهداري و آموزش را براي كاربران ويژه فراهم كند.

 

شبکه های صنعتی

اينترنت به صورت يك نيروي فراگير گسترش يافته است بطوريكه نحوه زندگي و كار ما را تعريف مي كنـد . هـر نوع دستگاهي را كه تصور كنيد سرانجام شبكه اي مي شود . و اتصال فراگير سنسورها ۱۰قبل از اينكه در عرصـه مصرفي ظاهر شود در دنياي صنعت داراي ارزش مي شود و در حقيقت سنسورها را از دستگاههاي اطلاعـاتي بـه دستگاههاي ارتباطي تبديل كرده است. اما دنياي سنسورها خيلي متنوع تر از دنياي كامپيوتر است و در اغلب موارد شبكه كردن يك سنسـور بـا قابليـت پاسخ خودكار خيلي گرانتر از اتصال يك كامپيوتر است و روشهاي متفاوتي براي انجام آن وجود دارد . ازدياد استانداردهاي شـبكه اي و مشـكلات اساسـي در پشـتيباني بيشـتر از يـك پروتكـل بسـياري از تلاشـهاي مهندسين را متوقف كرده است . در اين قسمت درباره شبكه اي كردن سنسورها توضيح داده مي شود.

 

چرا يك سنسور را شبكه اي مي كنيم؟

هنگامي است كه چندين دستگاه را بهم متصل مي كنيم اولين و واضح ترين دليل صرفه جويي در سيم كشي است . اتوماسيون توليد و برنامه هاي كنترلي بطور وسيع از شبكه هاي صنعتي استفاده مي كنند. كاهش كابلهاي بزرگ بخصوص اگر به صورت سيم پيچ در آمده باشند يك مزيت آشكار محسوب مي شود.

شبكه كردن اين امكان را به ما مي دهد كه چند صد دستگاه را به يـك مسـير ارتبـاطي اصـلي بـدور از سـيم كشـي اضافي متصل نماييم . بويژه وقتي كه سيستمها از آسـتانه ۱۰۰اتصـال ) I/Oورودي /خروجـي( گذشـتند هزينـه اضافي سخت افزار شبكه با صرفه جويي در زمان سيم كشي خنثي مي شود.

 

 

تعدادي از شـبكه هـاي صـنعتي عبارتنـد از: Field bus Profibus , CAN , ModbusRTU/ASCII , Ethernet

كه در ادامه مختصرا” شرح داده مي شوند.

 Ethernet

امروزه استانداردهاي شبكه زيادي وجود دارد . اگر شما بخواهيد سنسور خود را شبكه ا ي كنيد كدام يك را تاييـد مي كنيد ؟ بدليل استانداردهاي شبكه اي فراوان و همچنين تجهيزات متفاوت براي شـروع بهتـر اسـت شـبكه را از لحاظ شرايط كاري در محيط بررسي كرد. جدول ۱مجموعه اي از اطلاعات Busهاي مختلف(نوع مسير ارتبـاطي
اصلي در شبكه)كه مي توانند اجرا شوند را نشان مي دهد.

 

 

يكي از استانداردهاي پذيرفته شده Ethernetاست كه جهـت انتقـال مقـادير زيـادي از اطلاعـات در سـرعتها بـالا طراحي شده.

شبكه كردن ميليونها كامپيوتر در ادارات و گسترش اينترنـت در سراسـر دنيـا  Ethernetرا بـه يـك اسـتاندارد عمومي تبديل كرده است. امروزه براي اينكه كاربران بي تجربه بتوانند شبكه هاي ساده اي ايجاد و كامپيوترهـا را بهم متصل نمايند, سخت افزار و نرم افزار شبكه توسعه يافته اند. در اتوماسيون Ethernetعموما” با Field busهاي ديگري استفاده مي شود

سخت افزار Ethernet ارزان است و مي توان آنها را در هرجا خريداري كرد. پيدايش پروتكل براي همه كساني كـه در استانداردهاي فراوان غوطه ور شده بودند و كساني كه معتقدند Fieldbusها گـران و بـراي كـاركردن دشـوار هستند يك راه حل ايده ال شد . به علاوه تحقيقي كه توسط سه توليد كننده بزرگ صنايع اتوماسيون انجام گرفـت
نشان مي دهد كه Ethernetبطور بالقوه مي تواند در خدمت %۷۰از كاربردهاي شبكه اي سـطح بـالا قـرار گيـرد. اتصال دهنده هاي RJ-45آن از لحاظ فيزيكي آسيب پذيربوده و نسبت به امواج الكترومغناطيسي حساس هسـتند و حتـي امـروزه استانداردهای اختصاصي و باز چندگانه آن در صنعت گمراه كننده مي باشد.

 

RS-232/422/485
پورت های سريال RS-232مانند دستگاههاي پخش اتومبيل هستند. RS-232براي برقـراري ارتبـاط اطلاعـاتي بين دو دستگاه بكار مي رود. RS-422و 485در يك مسير ارتباطي امكان چند شبكه ای را فراهم مي سـازد. توجـه كنيد كه RS-232 يك پروتكل نيست بلكه يك استاندارد لايه فيزيكي شامل تعداد پين هـا , مشخصـه هـاي كابـل و
سطوح سيگنالي است. براي برقراري ارتباط بين دو دستگاه هردو وسيله بايد پروتكل و اتصالات فيزيكي يكساني را به اشتراك بگذارند.
هزار نوع پروتكل است كه بيشتر آنها اختصاصي بوده و تعداد كمي از آنها پروتكلهاي باز عمومي هستند.

 

Modbus RTU/ASCII
Modbus شايد محبوب ترين پروتكل سريال در صنعت اتوماسيون و كنترل فرايند باشد. امروزه همه چيـز را از بهم پيوستن سريالي دستگاههاي خودكـار تـا شـبكه كـردن گسـترده تعـداد زيـادي دسـتگاه فـراهم مـي سـازد . Modbusها معمولا “ با Gateway (وسيله ای كه دو شبكه غيرمشابه را بهم وصل مي كند) بكار مـي
روند و بخوبي در TCP/IPكار مي كنند. و حدود ۲۵سال است كه توسعه يافته.
ModBus مي تواند بيشتر از۲۵۰دستگاه را برروي يك كانال ارتباطي متصل نمايد همچنـين امكـان اسـتفاده از Gatewayهاي زيادي جهت ارتباط Field Busبا شبكه هاي ديگر را نيز دارد. بنابراين اگر محصول شما پورت سريال آن داراي پروتكل ModBusاست مي توانيد آنرا به هر شبكه اي با استفاده از مبدل جعبه سـياه متصل نماييد. هرچند كه سرعت انتقال در مسير سريال پائين است و همچنـين ايـن پروتكـل قابليتهاي Peer to peer را نيز ندارد وابسته به يك دستگاه كنترل كننده مركزي است اما در صنعت زياداستفاده مي شود.

 شبكه كنترل كننده محلي (CAN)
در اوايل دهه ۱۹۸۰شركت  Boschشبكه كنترل كننده خود را توسعه داد . بطوريكه اجزا كنترلي مثلا” يك ماشين (چراغهاي خطر, كيسه هوا, چراغها,شيشه برقي و قفلهاي درب) همگي به يك كانال ارتبـاطي مشـترك متصـل مـيشوند.كارخانه هاي اتوماتيك دريافته بودند كه در حالت عادی و بدون شبكه اگر سيم كشي يك قسمت دچار مشكل
شود دورانداختن ماشين شايد ارزانترين راه حل باشد تا رفع عيب آن.
توسط شبكه شما مي توانيد با استفاده از يك نرم افزار به صورت مجازي يك تابلو كنترلـي را سـريعتر از حالت فيزيكي سيم كشي نماييد. البته هزينه سخت افـزار شـبكه بيشـتر از هزينـه هـاي جـاري اسـت. در نتيجـه كارخانجات نيز بايد هزينه زيادي بايت تجهيزات سخت افزار پرداخت نمايند. مطمئنا” نقش ارتباطات در يك ماشين مي تواند بيانگر تفاوت بين مرگ و زندگي باشد. CANيك شبكه پايدار در برابر شرايط سخت كاری است و امكان بروز خطا در آن بسيار پائين است.
اين استاندارد يك BUS حداقل سه سيمه شامل يك زمين (Ground) و دو سيم سيگنال متضاد اسـت. سـيگنالها  حامل يك رشته پالس متمركز در حدود ۲/۵تا حداكثر ۳/۵ولت و حداقل ۱/۸ولت.
ايجاد مصونيت نويزي مسئله مهمي در يك ماشين است. CANيك پروتكل پيغامي سطح پائين است كه مي توانـد روي يك Chipارزان )كمتر از 1 دلار اجرا شود. البته براي داشتن يك پروتكل شبكه اي عملياتي يك لايـه نـرم افـزار هم بايد اضافه شود.

Profibus ۹-۱-۲
Profibusعموما” در كنترل فرايند و سيستم هاي بزرگ , دستگاههاي خودكار و زير شبكه ها در صنعت اروپـا و آمريكا و قسمتي از آسيا و افريقا بكار مي رود. Profibusدر بسياري موارد استانداردهاي شبكه اي بين المللي را پذيرفته و مي تواند مقدار زيادي اطلاعات را در سـرعت بـالا جابجـا كنـد. نسـخه هـاي DPو FMSو PAآن در بسياري از كاربردهاي اتوماسيون بكار مي رود. متاسفانه همانند Ethernetسرايند زيادي(Overheadداده هاي كنترلي كه به اول پيغام ارسـالي اضـافه مـي شوند) براي مقدار كمي از اطلاعات دارد . و هزينه هاي آن از ساير Busهاي موجود بيشتر است.
Field bus ۱۰-۱-۲
اين شبكه خود را بسرعت به استانداردهاي جديد جهت شبكه اي كردن صنعت فرايند مجهز كرد. بعد از اينكه رسما” در سال ۱۹۹۷معرفي شد بسياري از فروشندگان سيستم هاي كنترلي اين پروتكل را بكـار بـرده و توسـعه دادنـد. اكثر دستگاها نيز با ويژگيهايش سازگارند.
Field busيك پروتكل پيشرفته قابل انعطاف است . نگهداشت آن بدليل ايمن بودن آسان است . در شـكل زيـر در يك Field busدو لايه شبكه اي : لايه سطح دستگاه (شامل محركها و سنسورها) ,و لايه Ethernetسـرعت بالا , با هم در ارتباطند.