شبکه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟

شبکه صنعتی چیست؟ شبکه های صنعتی کانال ها یا گذرگاه هایی برای تبادل اطلاعات بین تجهیزات اتوماسیون صنعتی و کنترلرها هستند. این شبکه ها را می توان به عنوان ستون اصلی معماری سیستم های اتوماسیون در صنایع مختلف معرفی کرد. با استفاده از آنها علاوه بر تبادل اطلاعات، قابلیت کنترل دیتا و انعطاف پذیری جهت اتصال دیوایس های مختلف فراهم می شود.

با پیدایش شبکه های صنعتی این امکان فراهم شده است تا بتوان دستگاه های مختلف را با کمترین میزان سیم کشی به هم متصل کرد؛ درنتیجه می توان انتقال داده را در مقیاسی بزرگ انجام داد. شبکه های صنعتی به دو صورت LAN یا WAN موجود هستند و قادرند حجم زیادی دیتا را با استفاده از تعداد محدودی گذرگاه انتقال دهند.

شبکه صنعتی چیست؟

این مفهوم به شبکه هایی گفته می شود که در تبادل داده و اطلاعات بین کنترلرها و تجهیزات مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع این شبکه ها در تبادل اطلاعات نقش دارند. تا قبل از ابداع این شبکه ها، مبادله اطلاعات با استفاده از سیستم سیم کشی انجام می شد. ظهور شبکه های صنعتی باعث شد تا تبادل اطلاعات از طریق ارسال سیگنال های الکتریکی جایگزین استفاده از سیم کشی شود.

با هدف مدیریت و کنترل ارتباطات بخش های مختلف، این شبکه ها در سه سطح دسته بندی می شوند:

Device Level: پایین ترین سطح شبکه های صنعتی است که شامل سنسورها و محرک های فرایند می شود. این سطح در دریافت و انتقال داده ها به صورت آنالوگ یا دیجیتال یا ترکیبی از آنها بین بخش های کنترلی و دستگاه ها نقش دارد. در این سطح سه استاندارد رایج پروتکل RS422،RS232 و RS485 وجود دارند.

Control Level: این سطح متشکل از سیستم های کامپیوتری و کنترلرهای صنعتی است. سرعت انتقال بالا، طول داده ها و زمان پاسخ کوتاه از ویژگی های این سطح است. پیکربندی دستگاه های اتوماسیون، کنترل کارایی و تنظیم متغیرهای آنها از وظایف سطح کنترل می باشد.

Information Level: این سطح بالاترین لول سیستم های اتوماسیون صنعتی محسوب می شود و در جمع آوری اطلاعات از سطح کنترل نقش دارد.

انواع شبکه های صنعتی

برای ایجاد هماهنگی بین خطوط تولید واحدهای صنعتی لازم است تا اطلاعاتی بین آنها منتقل شود. با توجه به حجم زیاد این اطلاعات، تبادل آنها مستلزم کاربری کنترلرها و سیستم های مانیتورینگ است. این امر از طریق انواع پروتکل های شبکه های صنعتی انجام می شود.

شبکه های صنعتی دارای انواع مختلف و پروتکل های معروفی هستند. هر یک از این پروتکل ها در تعیین نحوه کد گذاری دیتا و ارسال و دریافت اطلاعات بین خطوط تولید به کنترلرها نقش دارند.

شبکه صنعتی مدباس (Modbus)

شبکه مدباس یک پروتکل ارتباطی است که در سال 1979 توسط فردی با نام Midcon معرفی شد. در ابتدا مدباس به عنوان یک ایده اولیه جهت استفاده از تجهیزات پی ال سی مطرح شد. ضمن کامل شدن تحقیقات در این زمینه، Modbus به عنوان یک پروتکل استاندارد ارتباطی در صنعت معرفی گردید. به دنبال آن، این پروتکل شبکه های صنعتی توسط بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات در سیستم ها مورد استفاده قرار گرفت.

مدباس به منظور برقراری ارتباط بین تعداد زیادی دستگاه متصل به یک شبکه مورد استفاده قرار می گیرد. عملکرد پروتکل مدباس به صورت Master/Slave است. Master هر دستگاه را با آدرس آن قرائت می کند و Slave پاسخ آن را می دهد.

انواع پروتکل مدباس

Modbus RTU: یکی از انواع رایج نگارش این پروتکل است. انتقال اطلاعات در این نسخه به صورت باینری فشرده انجام می شود.

ModBus Plus: یک باس انحصاری است و به صورت Token Pass طراحی شده است.

Modbus /TCP: انتقال داده در این پروتکل با سرعت بالاتر و با استفاده از استاندارد TCP/IP صورت می گیرد.

Modbus ASCII: تبادل داده با استفاده از کاراکترهای ASCII انجام می شود.

مزایای استفاده از پروتکل Modbus

• استفاده از این پروتکل صنعتی به صورت Open Source و رایگان است.
• امکان دریافت و ارسال نامحدود بیت ها و بایت های اطلاعات را در شبکه های صنعتی فراهم می کند.
• توسعه آن به راحتی امکان پذیر است و نگهداری آن چندان دشوار نیست.

محدودیت های شبکه مدباس

استفاده از لینک های سریال RS232-RS485 در این شبکه صنعتی آن را با محدودیت هایی همراه می سازد. مهم ترین این محدودیت ها عبارتند از:

• لینک های سریال RS232 وRS485 به ترتیب بین 2 و 30-20 وسیله امکان ارتباط دارند. بنابراین، برای ارتباط دادن تعداد زیادی وسایل ارتباطات پیچیده درختی مورد نیاز است.
•  ارتباط سریال این شبکه به صورت Master-Slave است. با توجه به این ویژگی، روی هر باس فقط یک MASTER اجازه پاسخ دادن به SLAVE ها را دارد.
• سرعت خطوط سریال این شبکه صنعتی پایین است. 11500-9600 بیت در ثانیه انتقال اطلاعات توسط این شبکه ها انجام می شود. یعنی حداکثر 0.115 Mbps سرعت که این مقدار در مقایسه با سرعت سایر شبکه های صنعتی بسیار پایین است.

شبکه پروفی باس (Profibus)

پروفی باس یکی دیگر از انواع پروتکل های ارتباطی صنعتی است. اما کارکرد آن در یک شبکه صنعتی چیست؟ Profibus یک استاندارد ارتباطی در شبکه های صنعتی است که در فرایندهای اتوماسیون و آنالوگ مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ارتباطی بر اساس فناوری ارتباط سریال RS-485 طراحی شده است.

• انعطاف پذیری، پایداری و عملکردی ارزان قیمت از ویژگی های این شبکه صنعتی می باشد.
•  پروفی باس در مقایسه با سایر پروتکل های مشابه، از سرعت ارتباط بالاتر و نویز پذیری کمتری برخوردار است.
•  این شبکه صنعتی به دلیل کاهش حجم وایرینگ و سیم کشی برای اتصال انواع تجهیزات به سیستم کنترل با استقبال بالایی همراه شده است.
• انواع پی ال سی ها سنسورها، سرووها، درایوها و تجهیزات HART می توانند به این شبکه متصل شوند.
•  یک سیستم کامل دیجیتال و دو طرفه است که ایمنی ذاتی دارد و در مناطق خطر مورد استفاده قرار می گیرد.
• پروفی باس سیستم باس باز و مستقل از سازنده دارد.

ارتباط پروفی باس از طریق جمع آوری I/O ها روی یک IO-Box انجام می شود. انتقال اطلاعات در این پروتکل از طریق یک کابل تک انجام می گردد. این کابل پالس های پروتکل ارتباطی را با ولتاژ پایین ارسال می کند.

انواع شبکه Profibus

•  Profibus PA: از پروتکل های شبکه پروفی باس است که به منظور شبکه کردن ترانسمیترها، سنسورها و عملگرهای اسمارت یا هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد.

o این پروتکل توسط Coupler به شبکه Profibus PD متصل می شود.

o جهت برقراری ارتباط با تجهیزات نصب شده در مناطق خطرناک با احتمال انفجار گزینه ایده آلی است.

o در این شبکه تغذیه لازم جهت تجهیزات فیلد و انتقال اطلاعات بین تجهیزات و سیستم کنترل میزبان به صورت دیجیتال صورت می گیرد.

o جریان مورد نیاز برای تجهیزات این پروتکل نباید از حداکثر مقدار استاندارد جریان برای کابل شبکه Profibus PA بیشتر شود.

• Profibus DP: پرکاربردترین پروتکل شبکه پروفی باس است. این شبکه از طریق واسطه هایی با عنوان Remote I/O در برقراری ارتباط بین سنسورها و عملگرها با PLC نقش دارد. پروتکل Profibus DP در سیستم های کنترل با سرعت بالا از جمله خطوط مونتاژ و بسته بندی مورد استفاده قرار می گیرد.

Master-Slave پایه ساختاراین پروتکل را تشکیل می دهد. در این شبکه PLC یا DCS به عنوان Master و تجهیزات صنعتی چون Remote I/O ، سافت استارتر، درایو و … به عنوان Slave محسوب می شوند. در ساختار این شبکه، ارتباط Master با همه Slave ها به صورت سیکلی می باشد.

شبکه فیلد باس فاندیشن (Foundation Field Bus)

فیلد باس فاندیشن یک شبکه LAN در سطح ادوات فیلد است و فرایند کنترل در خود ادوات انجام می شود. شبکه های صنعتی فیلد باس فاندیشن ارتباط بین سیستم مرکزی و فیلد را برقرار می کنند. در این نوع شبکه صنعتی دریافت و ارسال اطلاعات به صورت دو طرفه و دیجیتال است. دیتاهای مبادله شده به صورت Real Time بوده و مقادیر اندازه گیری شده، محاسبه شده، تشخیص خطا، کالیبراسیون و … را شامل می شود. این شبکه از نظر استراکچر نرم افزاری در سه سطح معرفی می شود:

•  Supervisory System یا سیستم کنترل و سوپروایزری مرکزی
•  Field یا ادوات نصب شده در سایت
•  Fieldbus یا ارتباط بین سایت و اتاق کنترل

 ویژگی های این شبکه صنعتی را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:

• فراهم بودن امکان اجرای توپولوژی های Line، Star و Tree
• انجام انتقال قدرت از طریق Bus
• فراهم بودن امکان جمع آوری اطلاعات مهندسی با اهداف نگهداری، تعمیرات و ایمنی
• دسترسی سریع و آسان به اطلاعات در این شبکه

مزایای فیلد باس

• در این شبکه امکان استفاده از تجهیزات تولید کنندگان مختلف وجود دارد
• در برابر تداخل ها محافظت بیشتری ارائه می دهد.
• این سیستم ها با سرعت بیشتری برنامه ریزی و نصب می شوند.
• گسترش و تغییرات این سیستم ها به سرعت و به راحتی قابل اجراست.

هارت (HART)

یک پروتکل شبکه کنترل فرایند باز است که با استفاده از روش FSK (Bell 202 Frequency Shift Keying) سیگنال های ارتباطی دیجیتال را روی سیگنال های 20-4 میلی آمپر قرار می دهد. هارت تنها شبکه ارتباطی است که به طور همزمان ارتباطات دیجیتال و آنالوگ را با سیم کشی یکسان تسهیل می کند. این نوع شبکه های ارتباطی در برنامه های SCADA مورد استفاده قرار می گیرند.

این شبکه ها به صورت چند قطره یا نقطه به نقطه کار می کنند. شبکه های چند قطره هارت در زمانی که دستگاه ها فاصله زیادی داشته باشند مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه های نقطه به نقطه، جهت کنترل فرایند سیگنال 20-4 میلی آمپر به کار برده می شود و سیگنال هارت تحت تاثیر قرار نمی گیرد.

ControlNet

ControlNet یک شبکه کنترل باز با ترکیبی از Data Highway Plus و I/O است. این شبکه با هدف ترکیب کارکرد شبکه همتا به همتا و یک شبکه I/O با عملکرد سرعت بالا از پروتکل صنعتی مشترک (CIP) استفاده می کند. شبکه ControlNet جهت ارسال داده های فوری، دیتاهای مهم زمانی و اطلاعات غیر بحرانی بین I/O مورد استفاده قرار می گیرد.

DeviceNet

DeviceNet یکی دیگر از انواع شبکه های صنعتی کنترل باز است که مبتنی بر تکنولوژی CAN می باشد. این پروتکل ارتباطی در صنعت اتوماسیون جهت اتصال داخلی تجهیزات کنترل به منظور مبادله اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد. شبکه DeviceNet جهت اتصال دستگاه هایی چون نمایشگرهای پنل، بارکدخوان، سوئیچ ها، سنسورها و … با دستگاه هایی چون پی ال سی طراحی شده است.

در پایان

در مقاله حاضر با بیان این پرسش که شبکه صنعتی چیست به معرفی این شبکه ها و انواع آنها پرداختیم. در حال حاضر استفاده از شبکه های صنعتی بخش جدایی ناپذیر از سیستم های اتوماسیون صنعتی محسوب می شود. این شبکه ها یک گذرگاه ارتباطی بین رایانه های شخصی، کنترل کننده ها و دستگاه های میدانی را تشکیل می دهند. با به کارگیری این شبکه ها ارتباط داده ها بین هر یک از دستگاه های اتوماسیون به راحتی امکان پذیر شده است.

 با پیشرفت تکنولوژی های دیجیتال، حضور فناوری شبکه های مختلف صنعتی در حوزه اتوماسیون مهم تلقی می شود. به مدد حضور این شبکه ها تسهیلات ارتباطی چند جانبه، مقرون به صرفه و صرفه جویی در کابل فراهم شده است. اگر با تجهیزات اتوماسیون صنعتی سروکار دارید، در فروشگاه آزند اتوماسیون می توانید برترین برندهای این تجهیزات را انتخاب و خریداری کنید.