شبکه های ارتباطی صنعتی

شبکه های ارتباطی

در یک سیستم مدرن اتوماسیون صنعتی، ارتباط داده ها بین هر یک از دستگاه‌های اتوماسیون نقش مهمی ایفا میکند، هدف از استانداردهای بین اللملی برقراری ارتباط بین همه دستگاه‌های مختلف اتوماسیون است. از این رو کوشش‌هایی جهت استانداردسازی بین المللی در زمینه شبکه ها صورت گرفت که دستاورد مهم آن پروتکل اتوماسیون صنعت (MAP)در راستای سازگاری سیستم‌های ارتباطی بود. پروتکل MAP جهت غلبه بر مشکلات ارتباطی بین دستگاه‌های مختلف اتوماسیون گسترش پیدا کرد و به عنوان یک استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در کارخانه‌ها پذیرفته شد .
عملکرد و قابلیت اطمینان یک سیستم اتوماسیون صنعتی در حقیقت به شبکه ارتباطی آن بستگی دارد.
در یک شبکه ارتباطی اتوماسیون صنعتی، بهبود عملکرد شبکه و قابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می‌گردد.

یک شبکه ارتباطی جهت یک سیستم اتوماسیون صنعتی باید دارای شرایط زیر باشد :

1. قابل استفاده بودن شبکه
2. توان عملیاتی مناسب شبکه
3. میانگین تاخیر انتقال اطلاعات قابل قبول.

به علاوه عوامل موثر بر عملکرد صحیح یک سیستم اتوماسیون صنعتی می تواند شامل موارد زیر باشد:

1. ارزیابی کارایی یک شبکه ارتباطی توسط یکی از روش‌های شبیه سازی یا تحلیلی.
2. مطالعه کارایی شبکه در یک محیط نویزی .(نویز حاصل از روبوتهای جوشکاری و موتورهای بزرگ و غیره )
3. تنظیم صحیح پارامترهای ارتباطی شبکه . در یک سیستم اتوماسیون صنعتی شبکه ارتباطی یک جز مهم می‌باشد. زیرا عهده دار تبادل اطلاعات است. بنابراین جهت دست یافتن به مقادیر صحیح بایستی اتصالات ارتباطی بین ایستگاه‌های مختلف شبکه ارتباطی به درستی صورت گرفته باشد.

سطوح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی

سیستم های اتوماسیون صنعتی می‌توانند خیلی مجتمع و پیچیده باشند ولی عموما به سطوح سلسله مراتبی ساختار بندی می‌شوند. هر سطح شرایط متفاوتی در شبکه ارتباطی دارد . در مثال فوق یک ساختار سلسله مراتبی از یک سیستم اتوماسیون صنعتی نشان داده شده است.

Element سطح

سطح فیزیکی اتوماسیون شامل دستگاها و سنسورهای عمل کننده است که پردازش های فنی را انجام می‌دهند.

Field Level سطح فیلد

پایین ترین سطح اتوماسیون سطح Field است که شامل دستگاه‌های کنترلی مانند PLC وCNC  است. دستگاه‌های فیلد اصلی معمولا طبقه بندی شده اند کار دستگاه‌ها در سطح فیلد انتقال اطلاعات بین پروسه تولید محصول و پردازش های فنی است .اطلاعات ممکن است باینری یا آنالوگ باشد.
جهت ارتباط سطح فیلد معمولا از کابل‌های چند رشته ای موازی و رابط‌های سریال استفاده می شود . استانداردهای ارتباطی سریال مانند RS232، RS422و RS485 و نوع‌های عمومی دیگر با استاندارد ارتباطی موازی IEEE488 با هم استفاده می شود. روش‌های ارتباطی نقطه به نقطه در شبکه ارتباطی از لحاظ قیمت کابل کشی و کیفیت ارتباط مقرون به صرفه بودند. امروزه  Field Bus یک نوع شبکه صنعتی اغلب برای انتقال اطلاعات در سطح فیلد به کار می‌رود. از آنجایی که در یک فرایند اتوماسیونی زمانبندی درخواست‌ها باید بطور دقیق اجرا شود، برنامه های کنترل کننده های این سطح عملیات انتقال چرخشی نیاز دارند که اطلاعات را در فواصل زمانی مشخص انتقال دهند و اطلاعات تعیین شده را برای کم کردن زمان انتقال به قسمت‌های کوچک‌تر تقسیم کنند.

(Cell Level) Cell سطح

در سطح  Cellجریان داده ها اساسا” شامل : بارگزاری برنامه ها ‚ مقادیر و اطلاعات است که در طول فرایند تولید انجام می شود.
جهت دستیابی به درخواست‌های ارتباطی در این لایه از شبکه های سرعت بالا استفاده می شود. بعد از تعریف اصطلاحات CIM و Dccs بسیاری از شرکت‌ها قابلیتهای شبکه هایشان را جهت سطح Cell سیستم اتوماسیون افزایش دادند.
Ethernet۶همراه با TCP/IP۷بعنوان یک استاندارد واقعی برای این سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست یک ارتباط وابسته به زمان (Real-Time) را فراهم کند.

(Area Level) Area سطح

در سطح Cell , Area ها گروه بندی شده و توسط یک برنامه عملا شبیه سازی و مدیریت می شوند. توسط لایه، Area عملکرد کنترل کننده ها بررسی شده و فرایند و اعمال کنترل کننده ای مانند : تنظیمات تولید، خاموش و روشن کردن ماشین و فعالیت‌های ضروری تولید می شود.

(Plant Level) Plant سطح

بالاترین سطح یک سیستم اتوماسیون صنعتی است که کنترل کننده آن اطلاعات مدیریتی سطح Area را جمع آوری و کل سیستم اتوماسیون را مدیریت می کند.

وسیله انتقال 

معیار اصلی در انتخاب یک شبکه ارتباطی، سیستم کابل بندی فیزیکی یا وسیله انتقال است. که اغلب کابل‌های کواکسیال یا Twistedمی باشد. فن آوری های فیبر نوری و بی سیم هم به تازگی استفاده می شوند. کابل کواکسیال جهت انتقال سریع داده در مسافت‌های چندین کیلومتری استفاده می شود که عموما “ در دسترس بوده و قیمت نسبتا” پائینی دارد و به آسانی نصب و نگهداری می شود برای همین در شبکه های ارتباطی صنعتی زیاد استفاده می شود.
کابل  Twisted Pair(زوج به هم تابیده): جهت انتقال اطلاعات با سرعت چندین مگابایت در ثانیه برروی مسافت‌های ۱کیلومتر یا بیشتر استفاده می شود؛ اما همین که سرعت افزایش می یابد حداکثر طول کابل کاهش می یابد. این کابل سال‌هاست که در شبکه های ارتباطی صنعتی استفاده می شود و از کابل کواکسیال ارزان‌تر است اما ظرفیت انتقال بالایی ندارد و نسبت به امواج الکترومغناطیسی آسیب پذیر است. کابل فیبر نوری مقاوم در برابر امواج الکترومغناطیسی بوده و دارای ظرفیت انتقال داده بالایی در حد گیگابایت است. هرچند که تجهیزات آن گران و به کاربردن آن برای ارتباطات چند منظوره مشکل ترمی باشد ولی باعث انعطاف پذیری بیشتر می شود. استفاده از Wireless نیز در بسیاری از کارهای موقتی و موبایلی بهترین راه حل است که زیاد استفاده می شود.

روشهای انتقال

انتقال اطلاعات می‌تواند بصورت دیجیتال یا آنالوگ باشد، مقادیر داده ای آنالوگ دائما تغییر می‌کند ولی در ارتباط دیجیتال مقادیر داده فقط می تواند شامل ۰یا ۱باشد.
فرستنده اطلاعات می‌تواند خود را همزمان یا غیر همزمان نماید که بستگی به مسیر ارسال اطلاعات دارد. در روش انتقال همزمان کاراکترها با استفاده از کدهای Star ، Stopارسال می شوند و هر کاراکتر می‌تواند مستقلا “ و با سرعت یکنواخت ارسال شود. روش ارسال همزمان روش کارآمدتری می باشد. زیرا اطلاعات در بلوک‌هایی از کاراکترها ارسال می‌شود و مسیر صحیح و زمان رسیدن هر بیت قابل پیش بینی است؛ زیرا زمان ارسال و دریافت با هم همزمان (هماهنگ) هستند.
روش‌های ارسال در شبکه های ارتباط صنعتی شامل Base Band و Broadband و CarrierBand می باشد. در روش Base Band ارسال توسط مجموعه ای از سیگنال‌ها صورت می‌گیرد بدون تبدیل شدن به فرکانس ولی در Broadbandداده ها بصورت رنجی از فرکانس‌ها که در یک کانال تقسیم می شوند ارسال می شوند. در روش Carrie Bandفقط از یک فرکانس جهت ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می شود.

ملزومات ارتباطی سیستم های اتوماسیون صنعتی
ملزومات ارتباط ممکن است به سطح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی وابسته باشد. این بخش راجع به ملزومات ارتباطی سطح فیلد و سطح Cell نمودار سلسله مراتبـی توضـیح مـی‌دهد.

 ارتباطات سطح فیلد
در این سطح برای تبادل اطلاعات از سنسورهای ویژه و محرک‌هایی که روی آن سنسـورها بـه تجهیـزات کنترلـی مجهز هستند استفاده می شود.
ملزومات ارتباطی در این سطح عبارتند از :
1-زمان‌های پاسخ خیلی کوتاه : برای مدار کنترلی سریع و سیستمهای ایمنی زمانهای پاسخ در حد میکرو تا میلی ثانیه لازمند.

2-تحمل پذیری در برابر محیطهای شلوغ : دستگاههای سطح فیلد معمولا” در محیطهای مضر پیاده می شـوند در نتیجه پوشش حفاظتی یا سطح ایمنی احتیاج دارند.

3-فاصله زیاد : اتصال دستگاهها در فاصله های دور جهت عملیات راه دور باید ممکـن باشـد ماننـد: ایسـتگاه‌های پمپاژ.

4-قدرت توزیع : قدرت (تغذیه) بطور نرمال برروی دو کابل سیمی جهت دستگاه‌های این سطح توزیع شده . ایـن تغذیه ازسایر تغذیه های محیط جداست و در مواقع ضروری پشتیبان دارد.

ارتباطات سطح Cell
در سطح Cell دستگاه‌های کنترلی، کنسول‌های عملیاتی و ایستگاه‌ها با هم در ارتباطند.

ملزومات ارتباط در لایه Cell :

1- زمان‌های پاسخ کوتاه : جهت ارتباط کنترلی بین ایستگاههای شبکه و برای ارسال سـیگنالهای خطـا, زمانهـای میلی ثانیه تا ثانیه ای لازمند زیرا مقدار زیادی از اطلاعات ممکن است در یک زمان درخواست شود.
2-تحمل پذیری در برابر محیط‌های شلوغ : چنانچه ایستگاههای شبکه به سطح فیلـد انتقـال یابنـد سـخت افـزار سیستم بایستی نسبت به امواج الکترومغناطیسی , فرکانسهای رادیویی و درجه حرارت بالا و شرایط جوی مقاوم طراحی شده باشند.
3-قابلیت دسترسی به مقدار زیاد: برای غلبه بر وابستگی های عملیاتی ,قابلیت دسترسی سیستم بایـد بـه %۱۰۰ برسد. لذا در برخی موارد ممکن است بکار بردن کانالهای ارتباطی اضافی لازم باشد.
4- امنیت : دسترسی به سیستم کنترلی باید طوری طراحی شده باشد که از تصادفات داده ای و کاربرد غیرمجـاز که منجر به مختل کردن عملکرد محیط می شود جلوگیری شود و از اطلاعات مهم عملیاتی نگهداری شود.
5- پشتیبانی تغذیه : در صورت خرابی تغذیه الکترونیکـی از بکـاپ بـرای منـابع قـدرت اضـافی ‚ بـاطری هـا و ژنراتورهای تولید برق استفاده می کنند .
6-مدیریت شبکه : مدیریت شبکه باید روشهای ترمیم خطا ‚ پیکربندی مجدد سیستم ‚ امنیت ‚تشخیص کـارایی ‚ حسابداری ‚عیب یابی خطا ‚ نگهداری و آموزش را برای کاربران ویژه فراهم کند.

شبکه های صنعتی

اینترنت به صورت یک نیروی فراگیر گسترش یافته است به طوری که نحوه زندگی و کار ما را تعریف می‌کنـد . هـر نوع دستگاهی را که تصور کنید سرانجام شبکه ای می شود . و اتصال فراگیر سنسورها ۱۰قبل از اینکه در عرصـه مصرفی ظاهر شود در دنیای صنعت دارای ارزش می شود و در حقیقت سنسورها را از دستگاه‌های اطلاعـاتی بـه دستگاه‌های ارتباطی تبدیل کرده است. اما دنیای سنسورها خیلی متنوع تر از دنیای کامپیوتر است و در اغلب موارد شبکه کردن یک سنسـور بـا قابلیـت پاسخ خودکار خیلی گران‌تر از اتصال یک کامپیوتر است و روش‌های متفاوتی برای انجام آن وجود دارد . ازدیاد استانداردهای شـبکه ای و مشـکلات اساسـی در پشـتیبانی بیشـتر از یـک پروتکـل بسـیاری از تلاش‌های مهندسین را متوقف کرده است . در این قسمت درباره شبکه ای کردن سنسورها توضیح داده می شود.

چرا یک سنسور را شبکه ای می کنیم؟

هنگامی است که چندین دستگاه را به هم متصل می کنیم اولین و واضح ترین دلیل صرفه جویی در سیم کشی است . اتوماسیون تولید و برنامه های کنترلی به طور وسیع از شبکه های صنعتی استفاده می‌کنند. کاهش کابل‌های بزرگ به خصوص اگر به صورت سیم پیچ در آمده باشند یک مزیت آشکار محسوب می شود.

شبکه کردن این امکان را به ما می‌دهد که چند صد دستگاه را به یـک مسـیر ارتبـاطی اصـلی بـدور از سـیم کشـی اضافی متصل نماییم . بویژه وقتی که سیستم‌ها از آسـتانه ۱۰۰اتصـال ( I/Oورودی /خروجـی) گذشـتند هزینـه اضافی سخت افزار شبکه با صرفه جویی در زمان سیم کشی خنثی می شود.

تعدادی از شـبکه هـای صـنعتی عبارتنـد از: Field bus Profibus , CAN , ModbusRTU/ASCII , Ethernet

که در ادامه مختصرا شرح داده می شوند.

 Ethernet

امروزه استانداردهای شبکه زیادی وجود دارد . اگر شما بخواهید سنسور خود را شبکه ای کنید کدام یک را تاییـد می کنید ؟ به دلیل استانداردهای شبکه ای فراوان و همچنین تجهیزات متفاوت برای شـروع بهتـر اسـت شـبکه را از لحاظ شرایط کاری در محیط بررسی کرد. جدول ۱مجموعه ای از اطلاعات Busهای مختلف(نوع مسیر ارتبـاطی اصلی در شبکه)که می توانند اجرا شوند را نشان می دهد.

یکی از استانداردهای پذیرفته شده Ethernet است که جهـت انتقـال مقـادیر زیـادی از اطلاعـات در سـرعت‌های بـالا طراحی شده است.

شبکه کردن میلیون‌ها کامپیوتر در ادارات و گسترش اینترنـت در سراسـر دنیـا  Ethernet را بـه یـک اسـتاندارد عمومی تبدیل کرده است. امروزه برای اینکه کاربران بی تجربه بتوانند شبکه های ساده ای ایجاد و کامپیوترهـا را بهم متصل نمایند، سخت افزار و نرم افزار شبکه توسعه یافته اند. در اتوماسیون Ethernetعموما  با Field bus های دیگری استفاده می شود.

سخت افزار Ethernet ارزان است و می توان آنها را در هرجا خریداری کرد. پیدایش پروتکل برای همه کسانی کـه در استانداردهای فراوان غوطه ور شده بودند و کسانی که معتقدند Fieldbus ها گـران و بـرای کـارکردن دشـوار هستند یک راه حل ایده ال شد . به علاوه تحقیقی که توسط سه تولید کننده بزرگ صنایع اتوماسیون انجام گرفـت.
نشان می دهد که Ethernet به طور بالقوه می تواند در خدمت %۷۰ از کاربردهای شبکه ای سـطح بـالا قـرار گیـرد. اتصال دهنده های RJ-45 آن از لحاظ فیزیکی آسیب پذیربوده و نسبت به امواج الکترومغناطیسی حساس هسـتند و حتـی امـروزه استانداردهای اختصاصی و باز چندگانه آن در صنعت گمراه کننده می باشد.

RS-232/422/485
پورت های سریال RS-232مانند دستگاه‌های پخش اتومبیل هستند. RS-232 برای برقـراری ارتبـاط اطلاعـاتی بین دو دستگاه به کار می رود. RS-422 و 485 در یک مسیر ارتباطی امکان چند شبکه ای را فراهم می سـازد. توجـه کنید که RS-232 یک پروتکل نیست بلکه یک استاندارد لایه فیزیکی شامل تعداد پین هـا، مشخصـه هـای کابـل و سطوح سیگنالی است. برای برقراری ارتباط بین دو دستگاه هردو وسیله باید پروتکل و اتصالات فیزیکی یکسانی را به اشتراک بگذارند.
هزار نوع پروتکل است که بیشتر آنها اختصاصی بوده و تعداد کمی از آنها پروتکل‌های باز عمومی هستند.

Modbus RTU/ASCII
Modbus شاید محبوب ترین پروتکل سریال در صنعت اتوماسیون و کنترل فرایند باشد. امروزه همه چیـز را از بهم پیوستن سریالی دستگاههای خودکـار تـا شـبکه کـردن گسـترده تعـداد زیـادی دسـتگاه فـراهم مـی سـازد . Modbusها معمولا “ با Gateway (وسیله ای که دو شبکه غیرمشابه را بهم وصل می کند) بکار مـی‌روند و به خوبی در TCP/IPکار می کنند.
ModBus می تواند بیشتر از۲۵۰دستگاه را بر روی یک کانال ارتباطی متصل نماید. همچنـین امکـان اسـتفاده از Gatewayهای زیادی جهت ارتباط Field Busبا شبکه های دیگر را نیز دارد. بنابراین اگر محصول شما پورت سریال آن دارای پروتکل ModBusاست می توانید آن را به هر شبکه ای با استفاده از مبدل جعبه سـیاه متصل نمایید. هرچند که سرعت انتقال در مسیر سریال پائین است و همچنـین ایـن پروتکـل قابلیت‌های Peer to peer را نیز ندارد وابسته به یک دستگاه کنترل کننده مرکزی است اما در صنعت زیاد استفاده می شود.

 شبکه کنترل کننده محلی (CAN)
در اوایل دهه ۱۹۸۰شرکت  Bosch شبکه کنترل کننده خود را توسعه داد . به طوریکه اجزا کنترلی مثلا یک ماشین (چراغ‌های خطر، کیسه هوا، چراغ‌ها، شیشه برقی و قفل‌های درب) همگی به یک کانال ارتبـاطی مشـترک متصـل مـی‌شوند. کارخانه های اتوماتیک دریافته بودند که در حالت عادی و بدون شبکه اگر سیم کشی یک قسمت دچار مشکل شود دور انداختن ماشین شاید ارزان‌ترین راه حل باشد تا رفع عیب آن.
توسط شبکه شما می توانید با استفاده از یک نرم افزار به صورت مجازی یک تابلو کنترلـی را سـریعتر از حالت فیزیکی سیم کشی نمایید. البته هزینه سخت افـزار شـبکه بیشـتر از هزینـه هـای جـاری اسـت. در نتیجـه کارخانجات نیز باید هزینه زیادی بایت تجهیزات سخت افزار پرداخت نمایند. مطمئنا” نقش ارتباطات در یک ماشین می تواند بیانگر تفاوت بین مرگ و زندگی باشد. CANیک شبکه پایدار در برابر شرایط سخت کاری است و امکان بروز خطا در آن بسیار پائین است.
این استاندارد یک BUS حداقل سه سیمه شامل یک زمین (Ground) و دو سیم سیگنال متضاد اسـت. سـیگنال‌ها  حامل یک رشته پالس متمرکز در حدود ۲/۵تا حداکثر ۳/۵ولت و حداقل ۱/۸ولت.
ایجاد مصونیت نویزی مسئله مهمی در یک ماشین است. CANیک پروتکل پیغامی سطح پائین است که می توانـد روی یک Chipارزان )کمتر از 1 دلار اجرا شود. البته برای داشتن یک پروتکل شبکه ای عملیاتی یک لایـه نـرم افـزار هم باید اضافه شود.

Profibus ۹-۱-۲
Profibusعموما در کنترل فرایند و سیستم های بزرگ، دستگاه‌های خودکار و زیر شبکه ها در صنعت اروپـا و آمریکا و قسمتی از آسیا و افریقا به کار می رود. Profibus در بسیاری موارد استانداردهای شبکه ای بین المللی را پذیرفته و می تواند مقدار زیادی اطلاعات را در سـرعت بـالا جابجـا کنـد. نسـخه هـای DPو FMSو PA آن در بسیاری از کاربردهای اتوماسیون بکار می‌رود. متاسفانه همانند Ethernet سرایند زیادی( Overhead داده های کنترلی که به اول پیغام ارسـالی اضـافه مـی شوند) برای مقدار کمی از اطلاعات دارد. و هزینه های آن از سایر Bus های موجود بیشتر است.
Field bus ۱۰-۱-۲
این شبکه خود را بسرعت به استانداردهای جدید جهت شبکه ای کردن صنعت فرایند مجهز کرد. بعد از اینکه رسما در سال ۱۹۹۷معرفی شد بسیاری از فروشندگان سیستم های کنترلی این پروتکل را بکـار بـرده و توسـعه دادنـد. اکثر دستگاها نیز با ویژگی‌هایش سازگارند.
Field busیک پروتکل پیشرفته قابل انعطاف است . نگهداشت آن به دلیل ایمن بودن آسان است . در شـکل زیـر در یک Field bus دو لایه شبکه ای : لایه سطح دستگاه (شامل محرک‌ها و سنسورها)، و لایه Ethernetسـرعت بالا، با هم در ارتباط اند.