پیشرفت فن آوری اینترنت و شبكه های ارتباطی در دهه های اخیر ایجاب می نماید تا به لزوم بكارگیری شبكه های ارتباطی در صنعت و در این راستا شبكه ای كردن دستگاهها و سنسورهای صنعتی بپردازیم.

در این مقاله نگاهی اجمالی به اتوماسیون صنعتی و نقش شبكه های ارتباطی در توسعه صنعت داریم . در ابتدا با بیان تاریخچه اتوماسیون صنعتی , به ذكر اطلاعات پایه اعم از سطوح سلسله مراتبی اتوماسیون صنعتی و پروتكل MAP ( پروتكل اتوماسیون صنعتی) می پردازیم.

دریافت نات کوین رایگان ربات رسمی تلگرام با تیک آبی کلیک کنید

در ادامه ملزومات اساسی طراحی و ارتباطات قسمتهای مختلف یك شبكه صنعتی شرح داده می شود و با اشاره به توسعه شبكه های ارتباطی به نقش ارزنده اتصال دستگاهها و سنسورها در دنیای صنعت می پردازد .

انواع شبكه های صنعتی با ذكر محاسن و معایب هر یك بررسی شده و نشان می دهد كه چگونه می توانیم شبكه های سرعت بالا مانند Ethernet را با شبكه های سطح پایین تر (‌مانند : Fieldbus) جهت افزایش كارایی تركیب نمود و همچنین اهمیت استفاده از پردازنده ها و رابطهای كامپیوتری در مدیریت هرچه بیشتر اطلاعات تبادلی و chip های از قبل برنامه ریزی شده (‌Asic) شرح داده می شود. در پایان با بیان پیشنهادهایی جهت طراحی یك شبكه ارتباطی در صنعت به كار خود خاتمه می دهد.

فصل 1 – شبكه های صنعتی

مقدمه

هنگامیكه در دهه شصت تكنولوژی های اتوماسیون دیجیتال در دسترس قرار گرفت از آنها جهت بهبود و توسعه سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده شد . مفاهیمی مانند : صنایع خودكار[1](CIM) و سیستمهای كنترلی خودكار توزیعی [2](DCCS), در زمینه اتوماسیون صنعتی معرفی گردید و كاربرد شبكه های ارتباطی تقریبا“‌ رشد قابل توجهی نمود.

كاربرد سیستمهای اتوماسیون صنعتی گسترش پیدا كرد بطوری كه تعدادی از مدلهای دیجیتالی آن برای شبكه های ارتباطی جهت جمع آوری اطلاعات و عملیات كنترلی سطح پائین (سطح دستگاهای عمل كننده) با هم در ارتباط بودند.

در یك سیستم مدرن اتوماسیون صنعتی ,‌ ارتباط داده ها بین هر یك از دستگاههای اتوماسیون نقش مهمی ایفا می كند , هدف از استانداردهای بین اللملی برقراری ارتباط بین همه دستگاههای مختلف اتوماسیون است. از این رو كوششهائی جهت استانداردسازی بین المللی در زمینه شبكه ها صورت گرفت كه دستاورد مهم آن پروتكل اتوماسیون صنعتی (MAP) در راستای سازگاری سیستم های ارتباطی بود. پروتكل MAP جهت غلبه بر مشكلات ارتباطی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون گسترش پیدا كرد و بعنوان یك استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در كارخانه ها پذیرفته شد .

عملكرد و قابلیت اطمینان یك سیستم اتوماسیون صنعتی در حقیقت به شبكه ارتباطی آن بستگی دارد .

در یك شبكه ارتباطی اتوماسیون صنعتی ,‌ بهبود عملكرد شبكه وقابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می گردد.

یك شبكه ارتباطی جهت یك سیستم اتوماسیون صنعتی باید دارای شرایط زیر باشد :

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

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

1 - ارزیابی كارایی یك شبكه ارتباطی توسط یكی از روشهای شبیه سازی یا تحلیلی.

2 - مطالعه كارایی شبكه در یك محیط نویزی .( نویز حاصل از روبوتهای جوشكاری و موتورهای بزرگ و غیره )

3 – تنظیم صحیح پارامترهای ارتباطی شبكه . در یك سیستم اتوماسیون صنعتی شبكه ارتباطی یك جز مهم می باشد. زیرا عهده دار تبادل اطلاعات است. بنابراین جهت دست یافتن به مقادیر صحیح بایستی اتصالات ارتباطی بین ایستگاههای مختلف شبكه ارتباطی بدرستی صورت گرفته باشد.

1 – 2 سطوح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی

سیستم های اتوماسیون صنعتی می توانند خیلی مجتمع و پیچیده باشند ولی عموما“ به سطوح سلسله مراتبی ساختار بندی می شوند. هر سطح شرایط متفاوتی در شبكه ارتباطی دارد . در مثال فوق یك ساختار سلسله مراتبی از یك سیستم اتوماسیون صنعتی نشان داده شده است.

سطح Element

سطح فیزیكی اتوماسیون شامل دستگاها و سنسورهای عمل كننده است كه پردازش های فنی را انجام می دهند.

سطح فیلد Field Level

پایین ترین سطح اتوماسیون سطح Field است كه شامل دستگاههای كنترلی مانند [3]PLC و[4] CNC است. دستگاههای فیلد اصلی معمولا ‌“ طبقه بندی شده اند ,‌كار دستگاهها در سطح فیلد انتقال اطلاعات بین پروسه تولید محصول و پردازش های فنی است .اطلاعات ممكن است باینری یا آنالوگ باشد .

جهت ارتباط سطح فیلد معمولا“ از كابلهای چند رشته ای موازی و رابطهای سریال استفاده می شود . استانداردهای ارتباطی سریال مانند:RS232C , RS422 و RS485 و نوعهای عمومی دیگر با استاندارد ارتباطی موازی IEEE488 با هم استفاده می شود.

روشهای ارتباطی [5]نقطه به نقطه در شبكه ارتباطی از لحاظ قیمت كابل كشی و كیفیت ارتباط مقرون به صرفه بودند. امروزه Field Bus (یك نوع شبكه صنعتی) اغلب برای انتقال اطلاعات در سطح فیلد بكار می رود .از آنجاییكه در یك فرایند اتوماسیونی زمانبندی درخواستها باید بطور دقیق اجرا شود, برنامه های كنترل كننده های این سطح عملیات انتقال چرخشی نیاز دارند كه اطلاعات را در فواصل زمانی مشخص انتقال دهند و اطلاعات تعیین شده را برای كم كردن زمان انتقال به قسمتهای كوچكتر تقسیم كنند.

سطح Cell (Cell Level)

در سطح Cell جریان داده ها اساسا“ شامل : بارگزاری برنامه ها ‚ مقادیر و اطلاعات است كه در طول فرایند تولید انجام می شود.

جهت دستیابی به درخواستهای ارتباطی در این لایه از ‌شبكه های سرعت بالا استفاده می شود. بعد از تعریف اصطلاحات CIM و Dccs بسیاری از شركتها قابلیتهای شبكه هایشان را جهت سطحCell سیستم اتوماسیون افزایش دادند

Ethernet[6] همراه با [7]TCP/IP بعنوان یك استاندارد واقعی برای این سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست یك ارتباط وابسته به زمان ( Real-Time ) را فراهم كند.

سطح Area (Area Level)

در سطح Area , Cell ها گروه بندی شده و توسط یك برنامه عملا“ شبیه سازی و مدیریت می شوند . توسط لایه Area , عملكرد كنترل كننده ها بررسی شده و فرایند و اعمال كنترل كننده ای مانند : تنظیمات تولید ‚ خاموش و روشن كردن ماشین و فعالیتهای ضروری تولید می شود.

سطح Plant (Plant Level)

بالاترین سطح یك سیستم اتوماسیون صنعتی است كه كنترل كننده آن اطلاعات مدیریتی سطح Area را جمع آوری و كل سیستم اتوماسیون را مدیریت می كند.

1 – 3 وسیله انتقال

معیار اصلی در انتخاب یك شبكه ارتباطی ,‌ سیستم كابل بندی فیزیكی یا وسیله انتقال است. كه اغلب كابلهای كواكسیال یا Twisted می باشد. فن آوری های فیبر نوری و بی سیم هم به تازگی استفاده می شوند.

كابل كواكسیال جهت انتقال سریع داده در مسافتهای چندین كیلومتری استفاده می شود كه عموما ‌“ در دسترس بوده و قیمت نسبتا“ پائینی دارد و به آسانی نصب و نگهداری می شود برای همین در شبكه های ارتباطی صنعتی زیاد استفاده می شود.

كابل Twisted Pair ( زوج به هم تابیده) جهت انتقال اطلاعات با سرعت چندین مگابایت در ثانیه برروی مسافتهای 1 كیلومتر یا بیشتر استفاده می شود اما همین كه سرعت افزایش می یابد حداكثر طول كابل كاهش می یابد. این كابل سالهاست كه در شبكه های ارتباطی صنعتی استفاده می شود و از كابل كواكسیال ارزانتر است اما ظرفیت انتقال بالا ئی ندارد و نسبت به امواج الكترومغناطیسی آسیب پذیر است.

كابل فیبر نوری مقاوم در برابر امواج الكترومغناطیسی بوده و دارای ظرفیت انتقال داده بالایی در حد گیگا بایت است. هرچند كه تجهیزات آن گران و بكاربردن آن برای ارتباطات چند منظوره مشكل ترمی باشد ولی باعث انعطاف پذیری بیشتر می شود. استفاده از Wireless نیز در بسیاری از كارهای موقتی و موبایلی بهترین راه حل است كه زیاد استفاده می شود.

1 -4 روشهای انتقال

انتقال اطلاعات می تواند بصورت دیجیتال یا آنالوگ باشد , مقادیر داده ای آنالوگ دائما ‌“ تغییر می كند ولی در ارتباط دیجیتال مقادیر داده فقط می تواند شامل 0 یا 1 باشد.

فرستنده اطلاعات می تواند خود را همزمان یا غیر همزمان نماید كه بستگی به مسیر ارسال اطلاعات دارد. در روش انتقال همزمان كاراكترها با استفاده از كدهای Start , Stop ارسال می شوند و هر كاراكتر می تواند مستقلا ‌“ و با سرعت یكنواخت ارسال شود.

روش ارسال همزمان روش كارآمدتری می باشد زیرا اطلاعات در بلوكهایی از كاراكترها ارسال می شود 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 شبكه های ارتباط صنعتی شامل Base Band و Broadband و CarrierBand می باشد در روش Base Band ارسال توسط مجموعه ای از سیگنالها صورت می گیرد بدون تبدیل شدن به فركانس ولی در Broadband داده ها بصورت رنجی از فركانسها كه در یك كانال تقسیم می شوند ارسال می شوند. در روش Carrie Band فقط از یك فركانس جهت ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می شود.

1-5 پروتكل MAP

شبكه های ارتباطی جهت اتوماسیون صنعتی توسعه یافتند .تا قبل از آن اغلب شركتها از شبكه های ارتباطی خصوصی خودشان جهت انجام كارها استفاده می كردند, ولی زمانی كه اتوماسیون صنعتی برای اولین بار آمده بود پایه ای برای سایر محصولات سیستم های كنترلی شد .بطوریكه سیستم های اتوماسیون گسترده شده و از محصولات مختلف با یكدیگر متصل شدند. اما مشكل بزرگی كه بر سر راه اتوماسیون صنعتی قرار داشت این بود كه آنها دریافتند در یك شبكه, اتصال تجهیزات از نوعهای مختلف به یكدیگر خیلی گران و مشكل است .

بعنوان نمونه در اواخر دهه 1970 شركت ژنرال موتور متوجه شد كه بیشتر از نیمی از بودجه اتوماسیون صرف بكارگیری رابطهای سفارشی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون شده است به علاوه اغلب دستگاههای مورد استفاده در آن زمان قادر به برقراری ارتباط شبكه ای با محیط بیرونی خود نبودند, وضعیت مشابهی نیز در شركت Boeing موقعی كه آنها در نظر گرفتند چندین مركز اطلاعاتی مختلف را بهم متصل كنند بوجود آمد. كامپیوترهای مختلفی از بیش از 85 محصول متفاوت با هم در ارتباط بودند . این دو تجربه یك تصویر روشن از جهان ارتباطی در یك نمونه صنعتی بود و شركتهای GM و Boeing را وادار به یافتن راه حل كرد تا اینكه در پروژه پروتكل اتوماسیون صنعتی (MAP) نتیجه داد.

اولین نسخه MAP فقط یك محصول با ویژگیهای خاص بود كه در پائیز 1982 پذیرفته شد. زیربنا گروه استفاده كنندگان MAP در سال 1984 نقطه عطفی در تاریخ MAP برجای گذاشت برای اینكه با پشتیبانی عظیم صنعتی جهت استاندارد كردن مواجه شد.

در سال 1984 نمایشی ساخته شد كه امكان استفاده از شبكه MAP را در نسخه اول آن (MAP 1.0) نشان داد. در سال 1985 نسخه جدید آن (MAP 2.0) منتشر شد‚‌ این نسخه جدید مدل مرجع OSI را برای سطوح پائین تر خود پذیرفت.

نسخه اول MAP كه كاربردهای تجاری داشت MAP 2.1 بود. این مدل پروتوكل هایی را كه در نسخه قبلی وجود نداشت در خود جای داد و در سال 1985 در نمایشگاه Auto fact به نمایش گذاشته شد. تا قبل از بوجود آمدن نسخه 2.1 ویژگی خاص MAP تنها این بود كه شبكه های ارتباطی را به وسایل اتوماسیون در سطح بالاتر در ساختار سلسله مراتبی سیستم ها ی اتوماسیون مرتبط می ساخت. هدف از MAP 2.2 فراهم كردن روشهایی برای ایجاد شبكه های ارتباطی با كارایی بالا در سیستم های اتوماسیون بود. نسخه 3.0 آن در سال 1988 در نمایشگاه ENE در Baltimore به نمایش گذاشته شد كه اولین نسخه ثابت بود, بحث بر سر موضوع MAP بر پایه همین نسخه خواهد بود.

نقشه پروتكل Full-Map نشان داده شده در شكل 2.3 شامل یك 7 لایه ای كامل [8]OSI است. Full Map قابلیت انعطاف زیادی برای ایستگاههای ارتباطی دارد

قسمت دوم

2-1 ملاحظات طراحی :

طراحی شبكه ارتباطی از لحاظ دقت و ارزیابی متفاوت از سایر طراحی ها می باشد. طراحان جهت رسیدن به بالاترین كارایی شبكه با قیمت مناسب در تلاش هستند و جهت رسیدن به این هدف بایستی تجهیزات ارتباطی و ملاحظات طراحی برای یك سیستم اتوماسیون بررسی شود.

تعیین استراتژی كلی مهمترین قدم در طراحی شبكه ارتباطی است. سیستم اتوماسیونی كه از شبكه ارتباطی استفاده خواهد كرد بایستی بررسی شده و اهداف شبكه ارتباطی آن احراز شود.

موارد اصلی كه در طراحی یك شبكه باید لحاظ شوند عبارتند از : هزینه , كارایی , قابلیت اعتماد و در دسترس بودن ,‌ سرویس یا عملكرد شبكه , تحمل پذیری محیط , وسیله انتقال ,‌قابلیت توسعه , نگهداری و امنیت.

هزینه COST

هزینه شبكه كردن به دو هزینه اولیه و اجرائی تقسیم می شود. هزینه اولیه شامل: خریداری نرم افزار ,‌سخت افزار ,‌طراحی ,‌نصب و شروع بكار است و هزینه اجرائی , نگهداری سخت افزار و نرم افزار ,‌ پرداخت دستمزد و هزینه های عیب یابی شبكه ,‌توسعه و تنظیم تغییرات شبكه می باشد.

عملكرد(كارایی) Performance

عملكرد مناسب در یك شبكه ضروری است و بدون آن فعالیتهای ارتباطی نرمال مختل می شود و برنامه های كنترل پردازش , مدام درخواست اجرای محاسبه كرده و مدار تولید دچار مشكل می شود.

در یك برنامه ریزی موثر بایستی حداقل یك برآورد از درخواستهای اجرائی داشته باشیم. بارگزاری و سرعت شبكه فاكتورهای اصلی در تجزیه و تحلیل عملكرد شبكه هستند. تحلیل و تعریف برنامه های شبكه همچنین عملكرد و تعیین ترافیك ارتباطات نیز از موارد مهم هستند.

عوامل تعیین كننده عملكرد شبكه های ارتباطی عبارتند از:

1 - Transmission Speed: سرعت انتقال شبكه (میزان انتقال بیتهای اطلاعاتی برروی كابل شبكه است).

2 - Response Time: زمان پاسخ, زمانی است كه صرف پاسخ به عمل اجرائی یك كاربر یا برنامه هایی كه درخواستی را ارسال می كنند می شود. همچنین شامل زمانی است كه سیستم های دریافت و ارسال كننده صرف پردازش درخواست و پیغام پاسخ می كنند همچنین زمانی كه صرف تاخیر انتقال اطلاعات در شبكه می شود.

3 - Utilization: ابزار Bandwidth به استفاده از حداكثر ظرفیت (پهنای باند) اشاره دارد و معمولا“ بصورت نمودار نشان داده می شود. در ارتباط با حداكثر ظرفیت شبكه ارتباطی اصول واضحی وجود ندارد.

4 - Throughput: توان عملیاتی یك شبكه ارتباطی, نسبت تعداد بیتهای اطلاعاتی به واحد زمان جهت انتقال است.

قابلیت اعتماد و در دسترس بودن Reliability Or Availability

قابلیت اعتماد یك وسیله یعنی احتمال اینكه یك وسیله مطابق با ویژگیهایش در یك دوره زمانی عمل خواهد كرد. و طریقه معمول تعیین قابلیت اعتماد یك وسیله MTBF نامیده می شود (Mean Time Between Failure).

قابلیت دسترسی یك وسیله ‌ مدت زمانی است كه انتظار می رود وسیله در این مدت عملكرد كاملی داشته باشد. قابلیت دسترسی می تواند توسط MTBF و MTTR(Mean Time To Repair a Fault ) نشان داده شود.

AvailabilityA= MTBF

MTBF+MTTR

دست یافتن به بالاترین قابلیت دسترسی یك شبكه ارتباطی با تشخیص و رفع بموقع خطاها امكان پذیر است بنحوی كه طراح شبكه بتواند در صورت بروز سیگنالهای خطا در قسمتی از شبكه بلافاصله خطوط و یا دستگاههای پشتیبان را برای نقاط بحرانی جایگزین كند.

برای بالا بردن قابلیت دسترسی یك شبكه ارتباطی یكی از قواعد زیر را می توان بكار برد:

1 – پردازشهای حساس بایستی در زیر شبكه هایی قرار گیرند كه حتی در صورت خرابی كانال اصلی شبكه بتوانند مستقلا“ اجرا شوند. بعنوان مثال پردازشهای خط تولید كه توسط یك كنترل كننده در سطح Cell بازبینی(monitoring) می شوند می توانند بدون وقفه و حتی طولانی تر از كنترل كننده ای كه برق سیستم را بازبینی می كند ادامه یابند.

2 – پیكربندی شبكه بایستی ساده باشد. ‌زیرا وسعت زیاد ,‌ پیچیدگی زیاد شبكه و تكنولوژی می تواند مشكل ساز باشد.

3 – تا جایی كه ممكن است دستگاهها با بالاترین قابلیت بكار گرفته شوند.

سرویس یا عملیات شبكه Service Or Network Functionality

طراح شبكه در هر لحظه باید بداند چه قسمتی از اطلاعات شبكه و چه عملیاتی برای رسیدن اطلاعات به مقصد مورد نیاز است.

عملیات لازم در شبكه های ارتباطی صنعتی می تواند شامل موارد زیر باشد: انتقال فایل – ارتباط ایستگاهای مختلف به یكدیگر – download یا upload كردن مجموعه ای از اطلاعات – احضار برنامه – ارسال و دریافت اطلاعات – پشتیبانی برنامه های توزیع شده.

تحمل پذیری محیط Tolerance For Environment

شبكه های ارتباطی صنعتی اغلب در نواحی مضر پیاده می شوند و می توانند در معرض نویزهای ناخواسته قرار گیرند. بنابراین شبكه های ارتباطی برای سیستم های اتوماسیون صنعتی بایستی در برابر امواج الكترومغناطیسی [9](EMI) و تداخل فركانسهای رادیویی همچنین هوای آلوده , حرارت بالا و تغییرات آب و هوا مقاوم طراحی شوند .

پیاده سازی شبكه در یك محیط صنعتی با EMI بالا ممكن است خرابی Packet های اطلاعاتی , تداخل در‌بارگزاری برنامه ها و در نهایت كاهش توان عملیاتی شبكه را بدنبال داشته باشد.

وسیله فیزیكی انتقال Physical Media

انتخاب مناسب وسیله فیزیكی انتقال یك تكنیك و یك تصمیم گیری مهم اقتصادی است زیرا پایداری یك شبكه ارتباطی به پایداری تجهیزات فیزیكی آن بستگی دارد.

قابلیت توسعه Expandability

شبكه های اندكی هستند كه می توانند در برابر سرعت رو به رشد تكنولوژی و‌ نیازهای كاری, پایدار باقی بمانند . لذا طراح شبكه باید همیشه یك فاكتور قابل انعطاف برای رشد داشته باشد.

نگهداری Maintenance

همه شبكه ها باید نگهداری و سرویس شوند. یك طراح خوب بایستی نگهداری پیش گیرانه , به روز و ساختار بندی شده ای بدون وقفه عملیاتی از شبكه داشته باشد .

امنیت Security

اهداف اصلی از اقدامات متقابل در برابر حمله به امنیت شبكه عبارتند از :

- به حداقل رساندن احتمال حمله توسط تهیه روشها و دستگاههای حفاظتی .

- مشخص كردن هر تجاوزی با سرعت ممكن.

- توانائی مشخص كردن اطلاعاتی كه ممكن است موضوع حمله باشند و تعیین اطلاعات كنترلی و وضعیت ها برای نجات یافتن از حمله.

2-2 ملزومات ارتباطی سیستم های اتوماسیون صنعتی

ملزومات ارتباط ممكن است به سطح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی كه در بخش 2.1 گفته شد وابسته باشد. این بخش راجع به ملزومات ارتباطی سطح فیلد و سطح Cell نمودار سلسله مراتبی توضیح می دهد.

ارتباطات سطح فیلد

در این سطح برای تبادل اطلاعات از سنسورهای ویژه و محركهایی كه روی آن سنسورها به تجهیزات كنترلی مجهز هستند استفاده می شود.

ملزومات ارتباطی در این سطح عبارتند از :

1 – زمانهای پاسخ خیلی كوتاه :‌ برای مدار كنترلی سریع و سیستمهای ایمنی زمانهای پاسخ در حد میكرو تا میلی ثانیه لازمند.

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

3 – فاصله زیاد : اتصال دستگاهها در فاصله های دور جهت عملیات راه دور باید ممكن باشد مانند: ایستگاههای پمپاژ.

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

ارتباطات سطح Cell

در سطح Cell دستگاههای كنترلی ,‌ كنسولهای عملیاتی و ایستگاهها با هم در ارتباطند.

ملزومات ارتباط در لایه Cell :

1 – زمانهای پاسخ كوتاه : جهت ارتباط كنترلی بین ایستگاههای شبكه و برای ارسال سیگنالهای خطا, زمانهای میلی ثانیه تا ثانیه ای لازمند زیرا مقدار زیادی از اطلاعات ممكن است در یك زمان درخواست شود.

2 - تحمل پذیری در برابر محیطهای شلوغ : چنانچه ایستگاههای شبكه به سطح فیلد انتقال یابند سخت افزار سیستم بایستی نسبت به امواج الكترومغناطیسی , فركانسهای 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 باید به 100% برسد. لذا در برخی موارد ممكن است بكار بردن كانالهای ارتباطی اضافی لازم باشد.

4 – امنیت : دسترسی به سیستم كنترلی باید طوری طراحی شده باشد كه از تصادفات داده ای و كاربرد غیرمجاز كه منجر به مختل كردن عملكرد محیط می شود جلوگیری شود و از اطلاعات مهم عملیاتی نگهداری شود.

5 - پشتیبانی تغذیه : در صورت خرابی تغذیه الكترونیكی از بكاپ برای منابع قدرت اضافی ‚ باطری ها و ژنراتورهای تولید برق استفاده می كنند .

6 - مدیریت شبكه :‌ مدیریت شبكه باید روشهای ترمیم خطا ‚ پیكربندی مجدد سیستم ‚ امنیت ‚‌تشخیص كارایی ‚ حسابداری ‚‌عیب یابی خطا ‚ نگهداری و آموزش را برای كاربران ویژه فراهم كند .

2-3 فرایند طراحی شبكه ارتباطی

طراحی یك شبكه ارتباطی پیچیده بوده و بایستی روشهای تحلیل سیستم استاندارد را دنبال كند. روش طراحی معمولی شامل چرخه زندگی سیستم و فازهای مربوط به آن می شود. چرخه زندگی یك سیستم ممكن است مانند شكل 3.1 ترسیم شود هرچند فازهای چرخه زندگی بصورت رشته ای پشت سر هم است ولی طراح ممكن است یك برگشت به یكی یا بیشتر از فازها داشته باشد.

امكان سنجی Feasibility Study

امكان سنجی جهت تعریف موضوعات آشكار موجود در سیستم است و مشخص می كند آیا یك شبكه ارتباطی برای سیستم اتوماسیون صنعتی قابل استفاده می باشد یا خیر.

البته شامل مشخص شدن نوع شبكه ای كه اجرا می شود نمی باشد هرچند طراح نیاز دارد همه مسائل و احتیاجات لازم جهت ایجاد سیستم اتوماسیون را بداند.

فاز امكان سنجی به مراحل زیر تقسیم می شود :‌ تعریف مسئله ‚‌ تحلیل مسئله و مرحله مشخص كردن راه حل ها. تعریف مسئله اولین مرحله در امكان سنجی جهت تمایز مسائل و راه حل ها است . دومین مرحله تحلیل مسئله است ‚ مسائل باید تحلیل شوند كه چگونه ممكن است منجر به تعیین یك شبكه جدید یا به روز كردن یك شبكه موجود شوند و آیا امكان پذیر است یا خیر. سومین مرحله امتحان راه حل های ممكن جهت تعریف مسئله است و همچنین مشخص شدن بهترین راه حل و اینكه آیا به طور واقعی مبتنی بر اطلاعات جمع آوری شده می باشد یا خیر.

تجزیه و تحلیل Analysis

در این فاز نیازهای شبكه ابتدا از روی اطلاعات جمع آوری شده در فاز امكان سنجی توسط مدیر پروژه قطعی و تایید شده و سپس توسط طراح بكار گرفته می شود.

نیازهای تنظیم شده بایستی برنامه های كامپیوتری و سیستم های اطلاعاتی را به درخواستهای دستگاههای اتوماسیون ‚ نرم افزار و سخت افزار ارتباطی ‚ محل های ورود و خروج داده و تولید داده مرتبط سازند. و تعیین اینكه اطلاعات چگونه پردازش و استفاده شوند.

در یك نتیجه گیری كلی تنظیم نیازها ‚ فعالیتهای كاری را كه شبكه ای و خودكار خواهند شد مشخص می كند.

آنها فعالیتها را به اطلاعات ورودی و خروجی ‚ میانگین انتقال اطلاعات ‚‌ محل و چگونگی استقرار اطلاعات و جغرافیای محلی كه اطلاعات در آن باید تولید و پردازش شوند مرتبط می سازند.

تجزیه و تحلیل اطلاعات خام كه در فاز امكان سنجی صورت می گیرد به مشخص شدن حجم اطلاعاتی كه باید در شبكه منتقل شود كمك می كند. به علاوه موارد زیر نیز بایستی در فاز تجزیه و تحلیل در نظر گرفته شود:

1 – قابلیت سخت افزار و نرم افزار پشتیبان باید ارزیابی شود.

2 – امنیت شبكه ارتباطی بررسی شود.

3 – قابلیت اعتماد و دسترسی شبكه ارتباطی بررسی شود

4 – سازگاری محیط و سیستم های موجود با OSI و نوع های دیگر سیستم عامل شبكه نیز بررسی شود.

5 – هزینه كابل , دستگاههای رابط ( پل ها ,روترها ,‌دروازه ها)‌ مودم ها,‌ نصب و طراحی شبكه , توسعه و نگهداری نرم افزار كاربردی نیز مشخص شده باشد.

طراحی Design

فاز طراحی یكی از فازهای بزرگ چرخه زندگی سیستم است . در این فاز یكسری از مشخصه های داخلی و خارجی ارائه می شود. مشخصه های داخلی شامل تعیین اجزا كل شبكه و عملكرد آنها و مدلهای ساخت شبكه است. مشخصه های خارجی شامل زوایای دید كاربر وقتی كه از شبكه استفاده می كند می باشد.

جهت برآوردن نیازهای شبكه باید آنها را به نیازهای ضروری و نیازهای مطلوب درجه بندی نمود.

فاز طراحی طبق مراحل زیر دنبال می شود :

1 – تعریف هدف نهائی جهت معماری شبكه و نیازهای ضروری.

2 – تعیین سرویسهای كاربری مورد نیاز , توابع و رابطهای برنامه كاربردی.

3 – تعیین عوامل موثر بر كارایی شبكه مانند: ظرفیت انتقال شبكه ,‌روشهای دسترسی وسیله ارتباطی , نوع وسیله ارتباطی و مكانیزم ترمیم خطا.

4 – طراحی معماری كل سیستم شبكه

5 – طراحی سیستم شبكه محلی در هر قسمت از سیستم شبكه

6 – طراحی سطوح ارتباطی بین سیستم های شبكه محلی

7 – طراحی سیستم مدیریت شبكه

اجرا Implementation

در طی فاز اجرا , اجزا شبكه خریداری و نصب می شوند. این فاز را می توان به موارد زیر تقسیم نمود: مالكیت نرم افزار و سخت افزار, نصب , ‌تست , ‌مستند سازی و Switch-Over .

در صورت اجرا یك شبكه جدید باید سیستم عامل مورد نیاز شبكه ,‌ نرم افزار كاربردی و مدیریتی و پروتكل های ارتباطی تهیه شوند.

تست كردن به روش مجتمع اجرا می شود یعنی سخت افزار و نرم افزار باید از لحاظ كاربردی تست شوند همچنین سعی در انجام پردازش هائی كه ترافیك شبكه را كاهش می دهند و یا یك FeedBack برای هماهنگی ایجاد نمود. با تست كردن یكپارچه كه در طی فاز طراحی باید انجام شود از عملكرد صحیح همه قسمتهای سیستم اطمینان حاصل می شود و باید روش كاملی باشد تا نتایج حاصله عملیات كل شبكه را در شرایط واقعی منعكس كند.

هر مرحله ای از فاز طراحی شبكه باید مستند شده و در فاز اجرا تكمیل شود . مستند باید شامل هر وضعیت شبكه از زمان آغاز تا اجرای نهائی باشد. این مستندات می تواند از راهنماهای مرجع ,‌دستورالعملهای نگهداری و كاربری و همه منابع استفاده شده در فاز امكان سنجی باشد.

مرحله Switch-Over شامل انتقال همه تغییرات از سیستم قدیمی به جدید است و محصول نهائی این مرحله شبكه كاری فعال است.

نگهداری و به روز رسانی Maintenance and Upgrade

آخرین فاز از چرخه زندگی سیستم شبكه, نگهداری و بروز رسانی اجزا شبكه است. در طی دوره نگهداری وبروز رسانی , سیستم جهت نگهداری سطوح اجرائی و اصلاح مشكلات فعال و هماهنگ است .

فصل 2 - شبكه های صنعتی

قسمت اول

اینترنت به صورت یك نیروی فراگیر گسترش یافته است بطوریكه نحوه زندگی و كار ما را تعریف می كند . هر نوع دستگاهی را كه تصور كنید سرانجام شبكه ای می شود . و اتصال فراگیر سنسورها[10] قبل از اینكه در عرصه مصرفی ظاهر شود در دنیای صنعت دارای ارزش می شود و در حقیقت سنسورها را از دستگاههای اطلاعاتی به دستگاههای ارتباطی تبدیل كرده است.

اما دنیای سنسورها خیلی متنوع تر از دنیای كامپیوتر است و در اغلب موارد شبكه كردن یك سنسور با قابلیت پاسخ خودكار خیلی گرانتر از اتصال یك كامپیوتر است و روشهای متفاوتی برای انجام آن وجود دارد .

ازدیاد استانداردهای شبكه ای و مشكلات اساسی در پشتیبانی بیشتر از یك پروتكل بسیاری از تلاشهای مهندسین را متوقف كرده است . در این قسمت درباره شبكه ای كردن سنسورها توضیح داده می شود.

2-1-2 چرا یك سنسور را شبكه ای می كنیم؟

هنگامی است كه چندین دستگاه را بهم متصل می كنیم اولین و واضح ترین دلیل صرفه جویی در سیم كشی است . اتوماسیون تولید و برنامه های كنترلی بطور وسیع از شبكه های صنعتی ‌ استفاده می كنند. كاهش كابلهای بزرگ بخصوص اگر به صورت سیم پیچ در آمده باشند یك مزیت آشكار محسوب می شود (رجوع شود به تصویر1).

تصویر 1 – در سمت چپ تابلو (پانل) كنترلی یك سیستم اتوماسیون وجود دارد كه بصورت نقطه به نقطه سیم پیچی شده است و درسمت راست همین تابلو با مدل Device Net به صورت شبكه ای سیم كشی شده است. به كاهش چشمگیر سیم ها وساختار ساده فیزیكی سیستم توجه كنید. هرچند كه هزینه تجهیزات در سیستم های شبكه ای بیشتر است ولی در فاكتورهائی مانند :‌سیم كشی وخطاهای آن و‌ نیروی انسانی صرفه جوئی می شود و مدیریت قسمتهای مختلف سیستم از طریق شبكه آسانتر است.

شبكه كردن این امكان را به ما می دهد كه چند صد دستگاه را به یك مسیر ارتباطی اصلی بدور از سیم كشی اضافی متصل نماییم . بویژه وقتی كه سیستمها از آستانه 100 اتصال I/O ( ورودی /خروجی) ‌گذشتند هزینه اضافی سخت افزار شبكه با صرفه جویی در زمان سیم كشی خنثی می شود. پیمانه ای بودن[11] یكی دیگر از مزایای مهم شبكه است. (‌ رجوع شود به شكل 1)

شكل 1 – صرفه جویی در هزینه با اندازه سیستم خود رانشان می دهد معمولا“ سیستم های با 100 دستگاه یا بیشتر اگر از شبكه استفاده نمایند هزینه كاهش می یابد . سیستم های شبكه شده می توانند سریعتر از پیكربندی فیزیكی توسط نرم افزار پیكربندی شوند . پیمانه ای بودن امكان جالبی برای طراحی دستگاه است.

از آنجاییكه ارتباط دستگاهها با نرم افزار دست یافتنی است لذا جابجایی یك سیستم بزرگ , سوار كردن آن روی یك مسیر و دوباره بستن قطعات آن در هر مكانی بسیار آسان است. به علاوه سه دلیل عمده برای صرفه جویی سیم كشی و پیمانه ای بودن سیستم , در شبكه كردن یك سنسور وجود دارد:

1 - امكان عیب یابی

یك دستگاه شبكه ای اگر خوب كارنكند یا خرابی پیش بیاید در اغلب موارد از طریق سیستم به كاربر اطلاع داده می شود این اطلاعات می تواند كمك بزرگی باشد. ارزش آن وقتی بیشتر می شود كه اطلاعات از راه دور و از طریق اینترنت در دسترس باشد.

2 – پیكر بندی مناسب

كنترل كننده ها بطور خودكار می توانند مشخص كنند كدام اجزا مستقل به شبكه متصلند و تعیین كنند چه تنظیم نرم افزاری انجام شده .این در حقیقت می تواند زمانهایی را كه یك سیستم بزرگ بدون انتقال داده می ماند و زمان راه اندازی مجدد را كوتاه كند.

3 – سیستم های اطلاعاتی اقتصادی

با به هم پیوستن هر سیستم بعنوان مثال در یك شركت تجاری كلیه عملیات از حسابرسی تا لیست حقوق و فروش بین چندین دستگاه تقسیم و توسعه می یابد و هر اطلاعات با ارزشی , به شرطی كه درست استفاده شود در انتها منجر به افزایش سرمایه می گردد.

امكان برنامه ریزی مجدد (‌تغییر كارایی )‌ یك سنسور از طریق شبكه ای كردن

برای صرفه جویی در زمان سیم كشی و یا ایجاد یك سیستم پیمانه ای اتصال صدها سوئیچ و محرك از طریق شبكه یك كار مقرون به صرفه و یك واقعیت دیگر از كاربرد شبكه جهت جمع آوری اطلاعات بیشتر نسبت به یك سیستم های غیر شبكه ای است . برای مثال بخش تجهیزات شركت Brooks كنترل كننده های جریان توده ای [12](MFCs) , را برای ماشینهای ساخت نیمه هادی تولید می كند. این تجهیزات دقیقا“ جریان گازها را در یك فرایند , كنترل و تنظیم می كنند. (‌ رجوع شود به تصویر2)

با شبكه كردن MFCs می توان كارایی آنرا گسترش داد. بطوریكه علاوه بر هفت نوع متغیر كنترلی كه در مدل غیر شبكه ای بكار می رفت در مدل شبكه ای صدها متغیر از 39 نوع عمل متفاوت را بكار می برد. كه این عملیات مربوط به كنترل و تنظیم گاز می باشد. این مجموع اطلاعات , نگرشی را در مورد فرایندی كه در دسترس ما نیست فراهم می نماید و این امكان را به ما می دهد كه منشا بروز اشكال را پیدا كنیم بطوریكه تولید كننده در یك كارخانه می تواند تعیین كند كه مشكل از خود MFCs است یا از جای دیگر. از نظر تجاری یك سازنده می تواند سنسور خود را با توجه به اطلاعات تخصصی با ارزشی كه فراهم می كند به فروش برساند.

تصویر 2 – كنترل كننده جریان توده ای (MFCs) در دو مدل ساخته شده : 1 – مدل آنالوگی كه هفت اتصال دارد 2 – مدل شبكه ای كه یك اتصال دارد و قادر است متغیرهای زیادی را بكار ببرد و بیش از 100 نوع داده اضافی را ردوبدل كند

2-1-3 چه كسی از شبكه های سنسوری استفاده می كند؟

در شركتها و تاسیسات بزرگ و كاربردهای پیچیده احتمال استفاده از شبكه زیاد است . شركتهای بزرگی مانند General Motors و Chrysler از شبكه های صنعتی Device Net و Profibus برای اتصالات دستگاهای خود بطور وسیع استفاده كردند. استفاده از [13] Ethernet علاوه بر كاربرد در موسسات اقتصادی , كنترل كننده ها و PLC ها را نیز به یكدیگر اتصال می دهد .

2-1-4 چگونه یك شبكه صنعتی بازارهای جدید ایجاد می كند؟

اگر می توان در یك شبكه یك سنسور را دوباره برنامه ریزی (‌ تغییر كارائی) كرد همچنین می توان مشتری های آنرا نیز دوباره تعیین كرد و اینكه برای چه كاری استفاده شود. البته این مشكل وجود دارد كه اگر مشتری ها بخواهند یك شبكه مخصوص را برای یك سیستم كنترلی یا اطلاعاتی انتخاب كنند با محدودیت سنسورهای شبكه ای مواجه می شوند . امروزه تعداد كمی از سنسورها می توانند در شبكه بكار روند. بنابراین اگر سنسورهای شما قابلیت شبكه شدن دارند در یگ گروه ممتاز قرار دارید. در این راستا مشتری هائی كه فقط روی افزایش قیمت سیستم شبكه ای تمركز دارند نكته اصلی را گم كرده اند این درباره قیمت نیست بلكه درباره ارزش اطلاعات و كاری است كه شما با این اطلاعات می خواهید انجام بدهید.

تعدادی از شبكه های صنعتی عبارتند از : Ethernet , ModbusRTU/ASCII , CAN , Profibus و Field bus كه در ادامه مختصرا“ شرح داده می شوند.

(1) 2-1-5 Ethernet

امروزه استانداردهای شبكه زیادی وجود دارد . اگر شما بخواهید سنسور خود را شبكه ا ی كنید كدام یك را تایید می كنید ؟ بدلیل استانداردهای شبكه ای فراوان و همچنین تجهیزات متفاوت برای شروع بهتر است شبكه را از لحاظ شرایط كاری در محیط بررسی كرد . جدول 1 مجموعه ای از اطلاعات Bus های مختلف ( نوع مسیر ارتباطی اصلی در شبكه ) كه می توانند اجرا شوند را نشان می دهد

یكی از استانداردهای پذیرفته شده Ethernet است كه جهت انتقال مقادیر زیادی از اطلاعات در سرعتها بالا طراحی شده .(‌ رجوع شود به شكل 2)

شكل 2 – نشان می دهد كه كدام یك از شبكه های استفاده شده تاحد زیادی وابسته به میزان اطلاعات ارسالی می باشد . Ethernet برای جابجائی حجم بالائی از اطلاعات طراحی شده (‌بیشتر از 1000 Byte در زمان) سایر شبكه ها برای مقادیر اطلاعات كمتر مناسب هستند این مثال اطلاعاتی نسبی كه شبكه ها براساس ان طراحی شده اند را نشان می دهد.

شبكه كردن میلیونها كامپیوتر در ادارات و گسترش اینترنت در سراسر دنیا Ethernet را به یك استاندارد عمومی تبدیل كرده است. امروزه برای اینكه كاربران بی تجربه بتوانند شبكه های ساده ای ایجاد و كامپیوترها را بهم متصل نمایند, سخت افزار و نرم افزار شبكه توسعه یافته اند.

در اتوماسیون Ethernet عموما“‌ با Field bus های دیگری استفاده می شود. (‌رجوع شود به شكل 3)

شكل3 – شبكه كردن سه لایه ای كه در آن Ethernet بعنوان Backbone شبكه ( كانال اصلی ) و اتصالات آن به كنترل كننده ها و كامپیوترهای صنعتی اطلاعات مهم را برای موسسه تجاری فراهم می كند. یك شبكه صنعتی یا Fieldbus سنسورها و دستگاههای خودكار را متصل می كند و یك Getway یا دروازه دستگاههائی را كه فقط پورت RS232 یا RS485 برای اتصال به Fieldbus دارند را متصل می كند.

سخت افزار Ethernet ارزان است و می توان آنها را در هرجا خریداری كرد. پیدایش پروتكل برای همه كسانی كه در استانداردهای فراوان غوطه ور شده بودند و كسانی كه معتقدند Fieldbus ها گران و برای كاركردن دشوار هستند یك راه حل ایده ال شد . به علاوه تحقیقی كه توسط سه تولید كننده بزرگ صنایع اتوماسیون انجام گرفت نشان می دهد كه Ethernet بطور بالقوه می تواند در خدمت 70% از كاربردهای شبكه ای سطح بالا قرار گیرد. بعنوان مثال (در شكل3 )Ethernet بدلیل سرعت بالا در سطح كامپیوترهای اداری وارتباطات داخلی و سرورها بكار رفته است. از طرفی دیگر Ethernet مشكلاتی هم داشت علائم [14]Overhead ‌ زیادی برای مجموع كوچكی از اطلاعات دارد و قدرت لازم را برروی Bus های صنعتی ندارد. اتصال دهنده های

RJ-45 آن از لحاظ فیزیكی آسیب پذیربوده و نسبت به امواج الكترومغناطیسی حساس هستند و حتی امروزه استانداردها ی اختصاصی و باز چندگانه آن در صنعت گمراه كننده می باشد.

با Ethernet صنعتی چه كاری می توان داشت؟

پروتكلهای كاربردی چندگانه شامل : Modbus/TCP و Ethernet/IP و Profinet و Fieldbus, بعنوان استانداردهائی جهت اتصال سنسورها‌, ورودی/خروجی های آنالوگ و دستگاههای خودكار پدید آمدند. این فصل جدیدی از جنگهای Field bus است كه از 10 سال پیش در عرصه صنعت جنگیده است. مگر اینكه TCP/IP برای بودن همزمان چندین پروتكل در یك كانال ارتباطی مجوز صادر كند.

حداقل سه موضوع اصلی وجود دارد تا Ethernet را به یك Field bus قوی و محبوب تبدیل كند:

ابتدا یك لایه كاربردی عمومی در آن درنظر گرفته شود. بعنوان مثال وقتی كه دستگاه شما یك Packet (‌بسته اطلاعاتی)‌ را دریافت می كند , آن داده از چه نوعی می باشد؟ آیا یك رشته از مقادیر I/O است و یا یك سند متنی است ؟ - دوم اینكه در بسیاری از كاربردهای صنعتی باید از اتصال دهنده های صنعتی(‌كانكتور) مقاوم استفاده كرد كانكتورهای معمولی پلاستیكی و كانكتورهای RJ-45 برای این منظور مناسب نیستند. یك كانكتور صنعتی محكم (رجوع شود به تصویر 3 ) فایده بیشتری خواهد داشت.

نه TCP/IP و نه Ethernet توانائی اینكه دو وسیله بتوانند با هم تبادل اطلاعات داشته باشند را تضمین نمی كنند.

Ethernet فقط یك استاندارد لایه فیزیكی است. استانداردی برای وسایل ارتباطی فیزیكی جهت انتقال اطلاعات است . پروتكلهای زیادی می توانند برروی Ethernet استفاده شوند. یكی از پروتكلهای رایج كه در web نیز استفاده می شود TCP/IP (‌ پروتكل اینترنت‌‌)‌ است.

TCP/IP فقط یك مكانیزم انتقال است كه تحویل اطلاعات مثلا“ از A به B‌ را قطعی می سازد. بهر حال امروزه همه از TCP/IP استفاده می كنند .

تاكنون Download كردن یك فایل بزرگ را تجربه كرده اید كه پس از دریافت, كامپیوتر نتوانسته برنامه ای برای باز كردن آن پیدا كند و باید برنامه های جانبی مانند Winamp و RealAudio و یا Acrobat Reader را نیز Download كنیم. مشابه همین مشكل در سنسورها نیز وجود دارد ,‌ شما می توانید هر فایل یا قطعه اطلاعاتی را برروی Ethernet یا Internet ارسال كنید اما در خاتمه چه كاری می خواهید با داده دریافتی انجام دهید؟ TCP/IP نمی تواند تضمین نماید كه شما بتوانید فایل دریافتی را باز كنید فقط می تواند رسیدن اطلاعات را تضمین نماید. به طوریكه اطلاعات می توانند در غالب Field bus های موجود بسته بندی شده و سپس با پروتكل TCP/IPمنتقل شوند.

Fieldbus ها همراه Ethernet

احتیاجی نیست كه از آغاز پروتكلهای Ethernet‌ برای كاربرد در صنایع تعریف شوند . در عوض اغلب پروتكلها در TCP/IP جا سازی شده اند . اخیرا“ 4 رقیب در این زمینه هستند : Modbus/TCP ( پروتكل Modbus همراه TCP/IP) و Ethernet/IP ( Controlnet/devicenet همراه TCP/IP) و FieldBus با Etherner سرعت بالا و ProfiNet ( Profibus همراه Ethernet) .

شما می توانید تعداد بیشماری از پروتكلهای لایه كاربردی را پیشنهاد كنید. در حقیقت امروزه علاوه بر پروتكلهای بالا استانداردهای اختصاصی زیادی از محصولات مختلف وجود دارد. اما چند مزیت عمده در استفاده از ساختارهای شبكه های بالا وجود دارد:

1 – مشخصه ها برای بسیاری از دستگاهها از قبل تعریف شده است و آنها می توانند با اندك تلاشی برروی ‌Ethernet بكار روند.

2 – . در سیستمی كه استفاده می شود داده ها می توانند به آسانی بین شبكه بالایی و پائینی (لایه های مختلف شبكه) انتقال یابند بعنوان مثال : یك شبكه Profibus برای سطح I/O بكار می رود و Profibus همراه Ethernet در سطح Supervisory ( سطح بالاتر)‌ استفاده می شود , ارتباط بین این دو شبكه نسبتا“ راحت و شفاف است.

3 – بسیاری از كاربران و شركتها با پروتكلهای موجود آشنا هستند.

2-1-6 RS-232/422/485

پورت های سریال RS-232 مانند دستگاههای پخش اتومبیل هستند. RS-232 برای برقراری ارتباط اطلاعاتی بین دو دستگاه بكار می رود. RS-422 و 485 در یك مسیر ارتباطی امكان چند شبكه ای را فراهم می سازد. توجه كنید كه RS-232 یك پروتكل نیست بلكه یك استاندارد لایه فیزیكی شامل تعداد پین ها , مشخصه های كابل و سطوح سیگنالی است.

برای برقراری ارتباط بین دو دستگاه هردو وسیله باید پروتكل و اتصالات فیزیكی یكسانی را به اشتراك بگذارند. هزار نوع پروتكل است كه بیشتر آنها اختصاصی بوده و تعداد كمی از آنها پروتكلهای باز عمومی هستند.

2-1-7 Modbus RTU/ASCII

Modbus شاید محبوب ترین پروتكل سریال در صنعت اتوماسیون و كنترل فرایند باشد. امروزه همه چیز را از بهم پیوستن سریالی دستگاههای خودكار تا شبكه كردن گسترده تعداد زیادی دستگاه فراهم می سازد . Modbusها معمولا ‌“ با Gateway (‌دروازه ها‌,‌ وسیله ای كه دو شبكه غیرمشابه را بهم وصل می كند)‌ بكار می روند و بخوبی در TCP/IPكار می كنند. و حدود 25 سال است كه توسعه یافته.

ModBus می تواند بیشتر از 250 دستگاه را برروی یك كانال ارتباطی متصل نماید همچنین امكان استفاده از Gateway های زیادی جهت ارتباط Field Bus با شبكه های دیگر را نیز دارد. بنابراین اگر محصول شما پورت سریال آن دارای پروتكل ModBus است می توانید آنرا به هر شبكه ای با استفاده از مبدل جعبه سیاه( Black Box Converter) متصل نمایید. هرچند كه سرعت انتقال در مسیر سریال پائین است و همچنین این پروتكل قابلیتهای[15] Peer to peer‌ را نیز ندارد ( وابسته به یك دستگاه كنترل كننده مركزی است) , اما در صنعت زیاد استفاده می شود.

2-1-8 شبكه كنترل كننده محلی CAN) (

در اوایل دهه 1980 ‌شركت Bosch شبكه كنترل كننده خود را توسعه داد . بطوریكه اجزا كنترلی مثلا“ یك ماشین ( چراغهای خطر, كیسه هوا, چراغها, شیشه برقی و قفلهای درب) همگی به یك كانال ارتباطی مشترك متصل می شوند. كارخانه های اتوماتیك دریافته بودند كه در حالت عادی و بدون شبكه اگر سیم كشی یك قسمت دچار مشكل شود دورانداختن ماشین شاید ارزانترین راه حل باشد تا رفع عیب آن.

توسط شبكه شما می توانید با استفاده از یك نرم افزار به صورت مجازی یك تابلو ( پانل) كنترلی را سریعتر از حالت فیزیكی سیم كشی نمایید. البته هزینه سخت افزار شبكه بیشتر از هزینه های جاری است. در نتیجه كارخانجات نیز باید هزینه زیادی بایت تجهیزات سخت افزار پرداخت نمایند. مطمئنا“ نقش ارتباطات در یك ماشین می تواند بیانگر تفاوت بین مرگ و زندگی باشد. CAN‌ یك شبكه پایدار در برابر شرایط سخت كاری است و امكان بروز خطا در آن بسیار پائین است.

این استاندارد یك BUS حداقل سه سیمه شامل یك زمین ( Ground) و دو سیم سیگنال متضاد است. سیگنالها شامل یك رشته پالس متمركز در حدود 5/2 تا حداكثر 5/3 ولت و حداقل 8/1 ولت.

ایجاد مصونیت نویزی مسئله مهمی در یك ماشین است. CAN یك پروتكل پیغامی سطح پائین است كه می تواند روی یك Chip ارزان (‌كمتر از 1$) اجرا شود. البته برای داشتن یك پروتكل شبكه ای عملیاتی یك لایه نرم افزار هم باید اضافه شود.

2-1-9 Profibus

Profibus عموما“ در كنترل فرایند و سیستم های بزرگ , دستگاههای خودكار و زیر شبكه ها در صنعت اروپا و آمریكا و قسمتی از آسیا و افریقا بكار می رود. Profibus در بسیاری موارد استانداردهای شبكه ای بین المللی را پذیرفته و می تواند مقدار زیادی اطلاعات را در سرعت بالا جابجا كند. نسخه های DP و FMS و PA آن در بسیاری از كاربردهای اتوماسیون بكار می رود.

متاسفانه همانند Ethernet سرایند زیادی (Overhead داده های كنترلی كه به اول پیغام ارسالی اضافه می شوند) برای مقدار كمی از اطلاعات دارد . و هزینه های آن از سایر Bus های موجود بیشتر است.

2-1-10 Field bus

این شبكه خود را بسرعت به استانداردهای جدید جهت شبكه ای كردن صنعت فرایند مجهز كرد. بعد از اینكه رسما“ در سال 1997 معرفی شد بسیاری از فروشندگان سیستم های كنترلی این پروتكل را بكار برده و توسعه دادند. اكثر دستگاها نیز با ویژگیهایش سازگارند.

Field bus‌ یك پروتكل پیشرفته قابل انعطاف است . نگهداشت آن بدلیل ایمن بودن آسان است . در شكل زیر در یك Field bus دو لایه شبكه ای : لایه سطح دستگاه( شامل محركها و سنسورها, H) و لایه Ethernet‌ سرعت بالا , با هم در ارتباطند. ( رجوع شود به شكل 4)شكل 4 - Fieldbus با فناوری بزرگ در صنعت كنترل فرایند. در این مثال شامل دو لایه شبكه ای برپایه یك پروتكل مشابه است. H1 : كه برای كاربرد در سطح دستگاههای عمل كننده مانند سنسورها ی فشار و محركها و زیر شبكه Ethernet سرعت بالا ( 100mbs).

این استاندارد معمولا“ در كنترلهای توزیعی , كنترل فرایند عملیات دسته بندی و پردازشی گاز و نفت بكار می رود.( شكل 5 را ببینید)

قسمت A : 10baseT Ethernet و 100baseT توپولوژی Star نیاز دارد ( یعنی یك ایستگاه به هر سیم متصل شود) و دستگاههای جداگانه توسط یك HUB یا Switch از هم جدا می شوند. شبكه های سرعت پائین مانند Field bus(H) می توانند تقریبا“ با هر ساختاری سیم كشی شوند. حتی بصورت Star و بدون نیاز به HUB یا دستگاههای ایزوله كننده زیرا سرعت و بازتاب سیگنال پائین در آن مشكلی ندارد.

قسمت B : توپولوژی TrunkLine/DropLine بیانگر یك كانال ارتباطی اصلی با انشعابات گرفته شده جهت دستگاههای مجزا است.

قسمت C : یك شبكه Daisy-chain كه كانال اصلی انشعاب ندارد و هر دستگاه به دستگاه بعد از خود متصل است.

2-1-11 آیا فن آوری شبكه جدید است؟

Ethernet و Internet در دهه 1970 و CAN در نزدیك دهه 1980 توسعه یافتند. این شبكه ها امروزه بیشتر از قبل عمومی و محبوب هستند. اغلب فن آوری های دیگر كه در این جا ذكر شد حدود 10 سال یا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند اما به این معنی نیست كه دیگر منسوخ شده اند. این شبكه ها رشد یكنواختی داشته اند كه نتیجه آن دو نیروی قدرتمند است : سقوط قیمت تكنولوژی درونی و تجهیزات و رشد مهارت و اتصال پردازشهای كامپیوتری توسط اینترنت.

شبكه های صنعتی

– قسمت دوم ( شبكه كردن و پیچ و خم های عملیات نرم افزاری و سخت افزاری)

جهان كامپیوتر توسط شبكه ها و اینترنت به بالاترین درجه خود رسیده است. امروزه یك نیروی جدید شبكه های سنسوری را معرفی می كند . اما برای دادن حركت به سنسورها بصورت متصل و موفقیت آمیز شما با استانداردهای فراوانی مواجه هستید. در قسمت اول ازاین فصل شبكه های صنعتی عمومی شرح داده شد و اشاره ای نیز به پروتكلهای كمتر رایج ولی مهم داشت و نشان داد كه سنسورهای شبكه ای بدلیل تحویل اطلاعات با ارزش مفید تر از سنسورهای معمولی هستند.

موقعی كه شما ایده شبكه كردن سنسورهایتان را می دهید مرحله بعدی یافتن روشی برای شبكه كردن طرح با بالاترین میزان كارایی می باشد. برای شروع باید در مورد برخی سوالات درباره طراحی و احتیاجات سخت افزاری پایه پاسخی داشته باشیم. چه ساختار اطلاعاتی بكار می رود و چه كسی آنرا تعریف می كند؟

آیا[16] ASIC ها لازمند ؟

چه عملیات سخت افزاری لازم است و كدام توسط نرم افزار مدیریت می شود؟

چه ابزار پیشرفته نرم افزاری مورد نیاز است ؟

مشخصه و ملزومات پشتیبانی كدامند؟

2-2-2 لایه های اطلاعاتی

هرچیزی كه شبكه ای می شود یا هر نوع اطلاعات دیجیتالی كه ارسال می شود برای موضوعیت گرفتن در لایه هائی بیان می شوند. شما می توانید یك فایل را با استفاده از برنامه Word ایجاد نمایید كه تركیبی از متن , جدول یا تصاویر باشد و ممكن است آنرا فشرده كرده(zip) و سپس با نرم افزار كد گزاری مناسب(PGP) رمز نگاری كنید بعد آنرا به پیغام Email خود اضافه كرده و با مودم توسط پروتكل TCP/IP‌ ارسال نمایید. پیغام در Mail Server من ذخیره می شود و وقتی پیغام را دریافت می كنم به ترتیب6 لایه زیر را طی می كنم : TCP/IP , Modem , PGP , ZIP , باز كردن فایل و مشاهده محتویات آن.

TCP/IP فقط یك لایه نیست بلكه خود تركیبی از 5 لایه است. لایه كردن اطلاعات, فرایند را در تكه های قابل مدیریت خرد می كند و یك مكانیزم پیچیده را ساده می سازد.

امروزه شما نمی توانید راجع به شبكه كردن و لایه های اطلاعاتی بدون اشاره به مدل [17]ISO/OSI صحبت كنید .

این مدل سالهای زیادی است كه بعنوان روشی برای فهماندن لایه های اطلاعاتی در شبكه استفاده می شود (‌ رجوع شود به جدول 1).

اغلب شبكه ها واقعا“ از همه این لایه ها استفاده نمی كنند. برای مثال Ethernet و RS-232 فقط لایه های فیزیكی هستند. بنابراین RS-232 فقط لایه 1 را بكار می برد و Ethernet لایه های 1و2.

TCP/IP یك پروتكل است نه یك شبكه و از لایه های 3 و 4 استفاده می كند صرفنظر از اینكه لایه های 1 و 2 یك خط تلفن , اتصال بی سیم یا كابل اتر نت 10baseT هستند.

وظایف هر لایه

لایه 7 – لایه كاربرد Application

این لایه محتوی اطلاعات را مشخص می كند و انتقال آنها بین برنامه های كاربردی. اگر شما بوسیله Email یك فایل PDF را ارسال كنید برنامه ای كه برای باز كردن آن استفاده می شود AdobeAcrobat است . بیشتر لایه های پروتكل پیچیده هستند ولی لایه Application آخرین مرحله در ساخت اطلاعات مفید است.

در طراحی یك سنسور این جز نرم افزاری است كه داده های پردازشی را بین سنسورها و پردازنده مبادله می كند. نرم افزار محتوی پارامترهای دیجیتال و آنالوگ را تنظیم می كند.

لایه 6 – لایه نمایش Presentation

این لایه جهت قالب بندی داده های اطلاعاتی (‌تبدیل آنها به فریم اطلاعاتی) برای ارسال و در گیرنده تبدیل آن به داده اطلاعاتی بكار می رود. مثلا“ ممكن است یك مجموعه كاراكتر را به كدهای ASCII تبدیل كند. همچنین عمل رمگذاری برروی داده ها نیز ممكن است در این لایه انجام شود. لایه 6 معمولا“ توسط نرم افزار مدیریت می شود و اغلب در شبكه های صنعتی كاربرد ندارد.

لایه 5 – لایه جلسه Session

این لایه وظیفه ایجاد و حفظ ارتباط را دارد . مدیریت ورود به سیستم در این لایه انجام می شود. این لایه نیز توسط نرم افزار مدیریت می شود و در شبكه های صنعتی كاربرد ندارد.

لایه 4 – لایه حمل و نقل Transport

این لایه كنترل سالم رسیدن اطلاعات را توسط برقراری پروتكل پیغام بر عهده دارد و عمل عیب یابی را انجام می دهد. این لایه توسط نرم افزار مدیریت می شود.

لایه 3 – لایه شبكه Network

این لایه وظیفه مسیر یابی اطلاعات از ایستگاهی به ایستگاه دیگر را در شبكه بوسیله باز نگه داشتن مسیر انتقال اختصاصی بعهده دارد همچنین ممكن است در صورت لزوم پیغامهای بزرگ را به بسته های كوچكتر بشكند و در گیرنده آنها را مجددا“ پیوند دهد. این لایه توسط نرم افزار مدیریت می شود.

لایه 2 – لایه اتصال داده Data Link

این لایه انتقال فیزیكی داده ها بین ایستگاهها را مدیریت می كند. همانطور كه می دانید یك بسته اطلاعاتی ( فریم اطلاعاتی) دارای فیلدهای [18]Checksum, آدرس مبدا و مقصد است كه با استفاده از این اطلاعات یك اتصال فیزیكی بین ماشین مبدا و مقصد برقرار می كند. این لایه اغلب توسط ASIC ها بصورت سخت افزاری مدیریت می شود .

لایه 1 – لایه فیزیكی physical

این لایه ولتاژ سیگنالها و همچنین اتصالات فیزیكی را برای ارسال تحت وسیله انتقال مانند : HUB ها یا Repeater (‌تكراركننده ) تعریف می كند .

لایه انتقال Transmission

به وسیله فیزیكی انتقال كه معمولا“ سیم ,‌فیبر نوری , یا فن آوری بی سیم است , اشاره می كند.

اطلاعاتی كه می خواهد ارسال شود از لایه كاربرد شروع شده و تا لایه فیزیكی حركت می كند تا برروی كانال ارتباط فیزیكی ارسال شود و در سمت گیرنده تا لایه كاربرد بالا می رود تا كاربر آنرا دریافت كند . اغلب پروتكلها به مدل ISO/OSI وابسته اند , اما اكثرا“ از مشخصه دقیقی تبعیت نمی كنند , در عوض در صورت نیاز لایه های مختلف را با هم تركیب می كنند .

2-2-3 استفاده از یك پردازنده به تنهایی یا همراه با یك كمك پردازنده دیگر؟

یكی از سوالاتی كه از ابتدا پرسیده می شود اینست كه آیا می خواهید برای مدیریت ارتباطات شبكه از میكروپروسسوری كه در حال حاضر دارید استفاده نمایید یا اینكه یك پردازنده ثانوی نیز اضافه نمایید؟

(1) شكل 1 – این دیاگرام فرایندی را كه از یك پردازنده استفاده كرده نشان می دهد. در این مثال پردازنده همه كارها را مدیریت كرده و یك درصد ازپهنای باند را به ارتباطات اختصاص می دهد. این روش اضافه كردن ارتباطات به طرح ارزان تر است ولی در اجرا ممكن است اشكالاتی داشته باشد.

شكل 2 – (ارتباطات بر پایه كمك پردازنده) . عملا“ میكرو پردازنده های جداگانه ای برای فرایند تولید طراحی می كند . هرچند كه این گونه طراحیها گران هستند ولی انعطاف پذیر و قوی هستند.

چگونه سخت افزار شبكه با فرایند تولید ارتباط دارد؟ ASIC های شبكه بوسیله حافظه اشتراكی (‌Share Memory) یا یك پورت سریال با كمك پردازنده ارتباط دارد كه این روش امكان پذیر است .

حافظه های پورتی دوبل معمولا“ بصورت پورت های سریال, I2C و رابطهای سریال بكار می روند.

2-2-4 برای چی ASIC ها در طرحهای ارتباطی ضروری هستند؟

قیمت ASIC ها در همه جا بین 1 تا 50 دلار بیشتر نیست. هر عمل نرم افزاری می تواند توسط سخت افزار اختصاصی انجام شود و برعكس اما یك افت اقتصادی و كارایی وجود دارد. یك میكرو پردازنده در یك لحظه پردازش سیگنالهای ورودی و محاسبه checksum و Parity ها را انجام می دهد كه مدیریت هر یك از این كارها می تواند وقت گیر باشد. نهایتا“ استفاده از یك ASIC یا یك كنترل كننده بطور منطقی برای پردازش یك بایت یا بیشتر می تواند فقط اطلاعات مفید و باارزش را بسوی میكرو پردازنده ارسال كند.

یك طرح سخت افزاری با ورودی ها و عملیات منطقی درونی از پیش تعریف شده عملكرد سریعی دارد ولی ممكن است باعث افزایش هزینه گردد. بعنوان مثال Profibus می تواند در هر روشی اجرا شود: با سرعتهای از 9600 bps تا 12Mbs توسط پورت های RS-485 لایه فیزیكی . توسط نرم افزار خاص در سرعتهای پایین با استفاده از هر پورت سریالی دست یافتنی است و پردازنده می تواند به هر عملی پاسخ دهد.

اما هرچه سرعت بالا می رود تقاضا برای پردازنده ها بیشتر می شود. شما ممكن است قادر به انجام یك طرح Profibus در سرعت 500kbps بدون استفاده از ASIC باشید, ولی استفاده از چیپ های ASPC2(اصلی) یا SPC3(‌فرعی) با صرف 20 تا 30 دلار در هر قسمت جهت دست یافتن به سرعتهای بالا مقرون به صرفه است.

- جزئیات جدول 3 برخی كاربردهای CHIP های ارتباطی را برای شبكه های مختلف نشان می دهد.

2-2-5 جداسازی سطح ولتاژ

شما مطمئنا“ احتیاجی به یك ژنراتور پیشرفته جهت خسارت زدن به دستگاههای الكترونیكی ندارید زیرا هر Chip ارتباطی مخصوصا“ در یك محیط صنعتی نسبت به نوسانات سطح ولتاژ آسیب پذیر است.

اتصال دهنده ها توسط منابع ولتاژ مختلف كه زمین (Ground) هم نشده باشد , الكتریسیته ساكن , نویز ناشی از موتورها وراه اندازها و امواج رادیویی آسیب پذیرند. یك مدار القایی كه ناخودآگاه از جریان قطع می شود یا یك تخلیه الكتریسیته ساكن می تواند هزار ولت در یك میلی ثانیه شك ایجاد نماید. این نوسانات می تواند اتصالات ترانزیستوری را فورا“ از بین ببرد.

اجزا فعال در شبكه باید از اختلالات الكتریكی جدا شوند هر ایستگاهی در شبكه به ولتاژ ایزوله نیاز دارد كه معمولا“ از ایزولاتورها و ترانسفرماتورها استفاده می كنند. هدف اجتناب از جریانات تولید شده توسط اختلاف پتانسیل است . میزان ولتاژ بالا مستلزم اجزا بزرگتر با فاصله های بیشتر بین عناصر است.

مدار نشان داده شده در شكل 3 جهت بافر كردن ( ضرب گیر) یك كنترل كننده CAN بكار می رود.

شكل 3 – یك مدار سطحی ضرب گیر CAN است . شامل از چپ به راست : اتصالات گیرنده و فرستنده به كابل شبكه , ایزوله كننده های نوری كه مدارات را از پیكهای ولتاژ حفظ می كنند, یك تقویت كننده سطح جریان و در آخر اتصالات به كنترل كننده CAN . مشخصه ویژه ای جهت انتخاب CAN برای این مدار نیست بلكه شبكه های دیگر نیز مشابه این مدارات ضربگیر را دارند. تنها در Ethernet قطعات زیر جایگزین دارند: تقویت كننده با یك PHY جایگزین می شود كه بافرینگ داده ای را نیز علاوه بر بافرینك الكتریكی انجام می دهد و ایزوله كننده نوری با ترانسفرمر كه هر دو عمل مشابهی انجام می دهند.

2-2-6 معانی Slave , Master

در یك سیستم كنترلی یك Server یا Master ورودی ها را می خواند و روی خروجی می نویسد, از دستگاهها ی دیگر اطلاعات را درخواست می كند . از طرف دیگر یك Slave یا Client اطلاعات را برای سیستم فراهم می كند و معمولا“ وقتی با او صحبت می شود پاسخ می دهد.

قابلیت Peer to Peer ( هر Client خود می تواند در نقش Server ظاهر شود و نیازی به كنترل كننده مركزی ندارد) در بسیاری از شبكه ها امكان پذیر است ولی خیلی اوقات استفاده نمی شود.

هنگام اتصال سنسورها به شبكه آنها Slave محسوب می شوند نه Master , اما اگر سنسور شما برنامه ریزی شود بطوریكه در یك سیستم بزرگ نقش مركزی ایفا كند قابلیت Master پیدا می كند و در هزینه كنترل كننده های اضافی صرفه جوئی می شود.(‌ حالت Peer to peer)

یك مثال ساده از این روش سوئیچ قابل برنامه ریزی است (PLS) ( Programmable Limit Switch) كه خروجیهای آن نقاط از قبل تعریف شده را خاموش و روشن می كند. یك PLS اغلب در سیستم اتوماسیونی كه توسط یك PLC ( كنترل كننده منطقی قابل برنامه ریزی ) كنترل می شود بكار می رود. اما در ماشینهای بسته بندی ساده pls خودش ورودی ماشین را كنترل می كند. PLS می تواند یك ماشین ساده را در صورت نداشتن اتصال شبكه ای كنترل كند , اما اگر قابلیت Master داشته باشد می تواند یك ماشین پیچیده و بزرگ را كنترل كند.

آیا سنسور شما می تواند نه فقط یك پردازش بلكه یك سیستم را كنترل كند؟ اگر اینطور است دلیل خوبی برای Master بودن سنسور خود دارید.

پیچیدگی Master , Slave

یك دستگاه Slave با استفاده از یكسری پارامترهای ساختاری اطلاعات قابل دسترس برای Master‌ ایجاد می نماید . اما معمولا“ Master پارامترهای زیر را تنظیم می كند. ( رجوع شود به جدول 4)

یك Master باید پایگاه اطلاعاتی از پارامترهای ساختاری داشته باشد و همه ترافیك شبكه را مدیریت كند.

این نشان می دهد كه یك Master ده برابر پیچیده تر از Slave است. بایستی كلیه كارهای ارتباطی پایه را پشتیبانی كند همچنین باید یك نرم افزار پیكربندی داشته باشد. این نرم افزار داده های شبكه را ترسیم می كند .

نمایش 1 – چیزی كه می بینید یك شبكه Profibus است . Master در بالای صفحه سمت چپ است و دستگاههای Slave در پایین آن قرار دارند .در این مثال نرم افزار پیكربندی ( Hilscher’s Sycon) پارامترهای تعدادی از ایستگاهها را مانند : میزان سرعت انتقال , اندازه بسته ها , زمان خروجیها و انواع پیغام را تنظیم می كند.

2-2-7 ابزارهای پیكربندی چه كاری انجام می دهند؟

ابزارهای پیكربندی ارتباطات بین Master و دستگاهها ,‌ ایستگاهها , اندازه پیغام ,‌ زمانبندی پیغام و پارامترها را برقرار می كند. این پارامترها در بانك اطلاعاتی ذخیره می شود كه درصورت نیاز می توان آنها را بعدا“ تغییر داد و معمولا“ عملیات تشخیصی انجام می دهد و می تواند اطلاعات شبكه را دستی ویرایش كند.

Sycon یك بسته نرم افزاری است كه شبكه های: CANopen, Control Net , Device Net و Profibus را پیكربندی می كند.

یك زمانبندی توسعه معمولی چیست ؟

توسعه شبكه (از شبكه ای به شبكه دیگر) در Modbus تا حدی آسان است و با یك پورت سریال در طی روزها یا هفته ای انجام می شود. اما اگر برروی یك Device net یا Profibus و Fieldbus كار می كنید می توانید یك ماه صرف توسعه طرح سخت افزاری Slave و دو ماه صرف توسعه Master كنید و سه ماه تست و اشكال زدایی نمایید . یك ماه صرف كسب تاییدیه و سه ماه صرف مستندات و بازاریابی و فروش امكانات جدید نمایید. 10 ماه برای هر شبكه صرف می شود.( رجوع شود به جدول 5)

توسعه در Ethernet و قابلیتهای Master آن خیلی پیچیده تر و وقت گیر تر است.( رجوع شود به جدول 6)

2-2-8 چه توان عملیاتی شما انتظار دارید؟

توان عملیاتی ( قابلیت ارتباط) یكی از چیزهایی است كه طرح شما نیاز دارد. هر كسی كه شبكه نصب می كند اختلاف بین اینكه ابزارها چگونه باید كار كنند و اینكه ابزار چگونه كار انجام می دهد را می داند. اما اغلب دستگاهها نمی توانند باهم ارتباط برقرار كنند. در اینجا یكسری مشكلات در ارتباط با شبكه ها وجود دارد , برای مثال این حقیقت كه ویژگیهایی هستند كه فقط توسط برخی دستگاههای شبكه ای پشتیبانی می شوند و نه همه آنها و ممكن است شما را مجبور به استفاده از یك تقسیم كننده ویژگیهای استاندارد كند كه مناسب كاربرد شما باشد. یك مثال می تواند یك پویشگر شبكه ای (Scanner) باشد كه فقط ورودی/خروجی را مقایسه كند اما نمی تواند تغییری در وضعیت آنها بدهد. همچنین ممكن است شما طرحهای قدیمی یافت كنید كه با خصوصیات فعلی مطابقت ندارند . ویژگیها و قابلیتهای مستند نشده در یك شبكه باز می تواند شما را مجبور به استفاده از یك كنترل كننده مخصوص یا نرم افزار ویژه ای برای كنترل كامل بر شبكه كند.

در كل مشكلاتی در این زمینه می تواند همه شبكه را غیرفعال كند ,‌همچنین تشخیص فیزیكی محل عیب در شبكه مشكل می شود. در این راستا ابزارهای پیكربندی مناسب بهترین راه حل برای سازماندهی این مشكلات هستند.(‌رجوع شود به تصویر1)

تصویر 1 – (كاراگاه شبكه DeviceNet ). یك ابزار پیكربندی اختصاصی است كه یك شبكه را با سرعت عیب یابی می نماید . در شبكه CAN مشابه آن ابزار Peak است و در Profibus ابزار دستی COM soft . محصولات زیادی از جمله Fluk برای Ethernet در دسترس هستند.

2-2-9 تاییدیه Certification

برای احتیاط مشتری های زیادی درخواست می كنند كه دستگاههای شبكه ای توسط آزمایشگا های مستقل تایید گردد. تاییدیه عملا“ گارانتی محصول نیست, بلكه یكسری اعمال آزمایشگاهی است كه ویژگیهای ارتباطی دستگاهها را كاملا“ تست می كند. همه سازمانهای بزرگ تجاری آزمایشگاههای Testing دارند. مانند مركز Profibus در شهر Johnson و آزمایشگاه DeviceNet در AnnArbor . هزینه های تست حدود 5000 دلار به ازای هر محصول به علاوه هزینه سفر است.

زمان و هزینه تاییدیه ممكن است ما را مجبور به كمك گرفتن از یك متخصص شبكه نماید . یك متخصص نه تنها در وقت گرانبهای شما صرفه جویی می كند بلكه تعداد دفعات مراجعه به آزمایشگاه را نیز كاهش می دهد.

2-2-10 موانع توسعه محصول

اغلب پروتكلها پیشرفته بوده و می توانند در بسیاری از درجه های پیچیدگی اجرا شوند . مثلا“ یك دستگاه Master می تواند 2 یا 3 سال برای برنامه ریزی وقت صرف كند. بنابراین بدقت هدف از اجرای پروژه را مشخص كنید.

ناچیز شمردن پیچیدگی

من یكبار مشتری داشتم كه از من یك راه انداز دستگاه Master شبكه DeviceNet برای ویندوز CE خواست. من برای او توضیح دادم كه من كارتهای PC Master دارم و یك راه انداز CE برای كارت . اما او اصرار داشت كه فقط باید بتواند یك CAN Chip به مادر بردش اضافه كند و یك راه انداز آماده برای قسمت DeviceNet بخرد. من 30 دقیقه صرف توضیح به وی كردم كه یك DeviceNet Master خیلی پیچیده تر از یك راه انداز ساده است.

از دست دادن مشتری های بزرگ

یك پروژه كلان به شما ارجاع می شود كه فقط دستگاههای شبكه ای احتیاج دارد. متاسفانه محصولات شما شبكه ای نیستند بنابراین شما آنرا به یكی از بهترین مهندسینتان جهت طرح پروژه شبكه ای ارجاع می دهید و به مشتری می گویید كه تا قبل از ضرب العجل آنرا انجام خواهید داد.

در ماندگی در رسیدن به شبكه های چندگانه

اگر شما بدانید كه سرانجام مجبور به پشتیبانی بیشتر از یك شبكه خواهید شد از آغاز این را در ذهن نگه می دارید. پشتیبانی شبكه چندگانه بهترین روش انجام شده در ساخت طرحهای پیمانه ای است.

ناتوانی در آموزش مشتری

مطمئن شوید مشتری شما آموزشهای لازم را دیده باشد . مثلا“ كاركنان باید بدانند كه چگونه از محصول شما استفاده نمایند.

شبكه های صنعتی

– قسمت سوم

در قسمت اول این فصل مروری بر پروتكلهای شبكه عمومی و اینكه برای چه بكار می رفتند و چگونه با شبكه ای كردن ارزش محصول بالا می رفت ,‌داشتیم . در قسمت دوم ملزومات سخت افزاری و نرم افزاری هر یك از این شبكه ها و ملاحظات طراحی شرح داده شد.

2-3-2 اصول شبكه ای كردن

در توسعه یك شبكه . فرصتهای از دست رفته اجتناب نا پذیرند مگر اینكه شما روشی برای پشتیبانی بیشتر از یك شبكه, بدون طی چرخه های توسعه طولانی برای طرح خود داشته باشید. محصولات اطلاعاتی اندكی هستند كه تنها با یك نوع شبكه عمل می كنند و 90% مشتری ها را راضی نگه داشته اند . در برخی موارد استفاده از Ethernet به تنهایی كافی است ولی اصولی نیست . بنابراین بهترین شیوه چیست؟ فاكتورهای : اندازه , زمان فروش و, قیمت پاسخ این سوال را مشخص می كنند.

(‌رجوع شود به جدول 1)

یك شیوه استفاده از Gateway است هرچند كه قیمت بالائی دارند ولی كاربردی هستند. استفاده از

[19]Plug-in برای كاربردهای كوچك تا متوسط كه می توانند به سرعت اجرا شوند و یا استفاده از Chip ها در كاربردهای بزرگ كه باعث صرفه جوئی در هزینه می شوند.

2-3-3 رابطهای كامپیوتری

اگر طرح شما بر پایه كامپیوتر است بنابراین سریعترین و آسانترین روش اتصال آن به شبكه استفاده از یك كارت است. این دستگاهها برای تقریبا“ هر شبكه قابل تصوری از محصولات مختلف در دسترس هستند.

(‌ رجوع شود به تصویر 1)

تصویر 1 – كارت PCI Profibus است . اتصال دهنده DB9 بالا سمت چپ یك اتصال دهنده Profibus است و در پایین آن پورت سریال است كه می تواند برای عیب یابی و پیكربندی زمانی كه كارت در یك كامپیوتر بدون Windows است بكار رود. همه عملیات پروتكل Profibus در كمترین زمان توسط یك پردازنده 186 مدیریت می شود.

اگر شما تصمیم به استفاده از كارت كامپیوتری دارید اولین قدم یافتن یك رابط نرم افزاری است [20](API) اگر كارت شما , یك راه انداز برای سیستم عامل دارد آنرا نصب كنید. سپس می توانید با استفاده از احضار توابع برنامه هائی در C و C++ برای دستیابی به شبكه بنویسید. یكی از مشكلات استفاده از رابطهای نرم افزاری احتیاج دائم آنها به راه اندازهای جدید برای پشتیبانی از اجزا سخت افزاری جدید است.

2-3-4 استفاده از یك رابط عمومی برای همه مسیرهای ارتباطی

در صورتیكه شما یك سازنده دستگاه [21](OEM) باشید چگونه می توانید یك برنامه كنترلی یا یك دستگاه را به Fieldbus های چندگانه بدون صرف سالها كد نویسی ارتباط دهید؟ چگونه یك تقسیم كننده عمومی برای همه این مسیرهای ارتباطی می یابید؟ این یك مشكل اساسی برای OEM بود.

یك راه حل تعریف یك API مشترك است كه همه مكانیزمهای ارتباطی ناهمخوان را در یك حافظه مشترك فشرده كند . شما می توانید یك رابط مشترك به همه BUS ها اضافه كنید .

2-3-5 Gateway ها یك روش سریع برای ارتباط

یك Gateway‌ اطلاعات را از یك نوع شبكه به شبكه های دیگر تبدیل می كند. هرچند كه گران هستند ولی در خیلی مواقع چاره ساز هستند. مواقع زیادی خواسته اید كه یك دستگاه را به شبكه Fieldbus اتصال بدهید

(مثلا“ یك كنترل كننده درجه حرارت) ولی دستگاه فقط یك پورت RS-485 یا RS-232 دارد . آیا چاره ای هست؟ در این موارد یك Gateway مبدل پورت سریال به Fieldbus اتصال فوری را برقرار می كند. مبدلهای پروتكلی معمولا“ شامل یك ابزار پیكربندی هستند كه پارامترهای ارتباطی بین دو قسمت را برقرار می كنند.

شكل 1 – استفاده از یك Gateway , Serial به Fieldbus . نشان می دهد كه یك دستگاه می تواند بوسیله پورت سریال به یك شبكه صنعتی دیگر متصل شود.

2-3-6 استفاده از Chip های مجتمع

قدم بعدی در كاهش هزینه برای محصولات بزرگ تركیب یك شبكه با یك پردازنده یا برخی دستگاههای جانبی مانند بردهای كامپیوتری است. شركتهای Motorola و Netsilicon پیشنهاد دادند كه میكرو پردازنده ها با Ethernet و CAN تركیب شوند.

اصطلاحات

- DDC (Direct Digital Control) ( كنترل دیجیتالی مستقیم)

- PLC ( Programmable Logic Controller) ( كنترل كننده منطقی قابل برنامه ریزی)

- FMS ( Flexible Manufacturing System) ( سیستم صنعتی قابل انعطاف)

- CIM ( Computer Integrated Manufacturing) ( ساخت كامپیوتر مجتمع)

- MAP ( Manufacturing Automation Protocol) ( پروتكل اتوماسیون صنعتی)

- IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers)

سازمان متخصصین مهندسی والكترونیكی و از دستاوردهای مهم آن استانداردهای IEEE802 برای لایه های فیزیكی وارتباط داده شبكه های محلی است كه با مدل ارتباط داخلی سیستم های باز OSI منطبق می باشد.

- IEEE802 Standards

مجموعه ای از استانداردها كه IEEE برای تعریف روشهای دستیابی وكنترل در شبكه های محلی ارائه نموده است كه لایه ارتباط داده را به دو لایه فرعی MAC , LLC تقسیم می كند.

- Rs232-c Standard

یك استاندارد پذیرفته شده برای اتصالات سریال می باشد. RS خطوط و خصوصیات سیگنالی خاص مورد استفاده كنترل كننده های ارتباطی را جهت استانداردسازی مخابره داده های سریال بین دستگاهها تعریف می كند.

- Rs-422 برای ارتباطات سریال با فاصله مخابراتی بالای 17 متر .