انتقال اطلاعات در صنعت - بررسي سيستم هاي كنترل صنعتي

انتقال اطلاعات در صنعت

1-2 مقدمه:

در سالهاي اخير مسئله بر قراري ارتباط در پروسه هاي صنعتي رشد چشمگيري داشته است. پيش
از اين ارتباط درصنعت و پرو سه هاي كنترل صنعتي به فرستادن سيگنال از جانب يك مركز
كنترل به مركز فرماندهي خلاصه مي شد، اما امروزه تمام كنترل كننده هاي كوچك و بزرگ
(PLCs) در هر نقطه اي از فيلد كه باشند بايد با يكديگر و در نهايت بامركزكنترل
مربوط به خود ارتباط بر قرار كنند و همين امر باعث پيچيده شدن هرچه بيشتر سيستمهاي
ارتباطي خواهد شد.

PLCها امروزه طوري طراحي و سا خته مي شوند كه بجز وظيفه اصلي و مهم خود كه همان اجراي
فرامين كنترلي تعريف شده و كنترل اتو ماتيك يك پروسه صنعتي است، بتوانند موارد مهم
ديگري از قبيل برقراري ارتباط با مركز كنترل و ديگر كنترل كننده هاي داخل فيلد را
نيز بر عهده بگيرند. بنابراين در ساختار داخلي آنها پيش بيني هاي لازم جهت استفاده
از ابزار ها و لوازم خاص ارتباطي صورت گر فته است.

به
عنوان مثال مي توانيم يك سيستم PLC كه در محل خط توليد قرار دارد و توسط ترمينال
مخصوص شبكه محليLAN(Local area network) به ماشينهاي مركز كنترل كه در محل اتاق
كنترل كار خانه قرار دارند،متصل كنيم و از همانجا ، PLCرا كنترل كنيم.

مثلا مي
توانيم بهPLC فرمان دهيم تا رو تين كنترلي مربوط به توليد قطعه اي خاص را اجرا كرده
، فرامين آنرا صادر كندو همچنين بر روند كل پروسه نظارت كامل داشته
باشد.

سپس نفر بعدي كه در شيفت بعدي فعاليت مي كند ، مي تواند يك گزارش كامل از چگونگي كنترل
پروسه توسطPLCمورد نظر را تهيه كرده و از روي آن تعداد قطعات سالم و خراب و حتي
زمانهاي از دست رفته و تلف شده در حين توليد را محاسبه كند.

مركز تعميرات كارخانه نيز مي تواند با استفاده از روشهاي ارتباطي و مخابراتي ، از بروز
اشكال در هريك از ماشينهاي كار خانه اطلاع حاصل كرده و پرسنل تعمير كاري را جهت رفع
اشكال اعزام دارد، مركز تعميرات حتي مي تواند با اطلاع داشتن از وضعيت كليه
ماشينهاي خراب، اولويت تعمير را به هر كدام از آنها واگذار كند.

براي درك بهتر مطلب شكل1-1 را كه بلوك دياگرام معماري شبكه ارتباطي را در بخشي از
كارخانه نشان مي دهد ، ببينيد.

شكل 1-1:شبكه
محلي PLCsو شبكه گسترده ETHENET بين كار خانه ها

همانطور كه در شكل مشخص شده هر ماشين يك PLCدارد كه آنها توسط شبكه محلي LANبهم مر تبط
هستند و همگي روي لينك ارتباطي شبكه گسترده Ethernetبه هم مر تبط مي
شوند.

شبكه هاي محلي در محيط هاي صنعتي امروزه امكان استفاده هاي مختلفي را براي بخش ها و قسمت
هاي مختلف كارخانه فراهم آورده اند،به عنوان مثال سيستم شبكه محلي كامپيوتر ها بين
بخش هاي مختلف كارخانه كه شامل امكانات پست الكترونيكي و انتقال اطلاعات بين
كارمندان است،مي تواند در كنار شبكه هاي صنعتي PLC،روي لينك شبكه محلي LANقرار گيرد
و يك سيستم ارتباطي جامع را پديد آورد.

2-2 معماري شبكه:

در سالهاي اخير توليد كنندگان تجهيزات الكترونيكي و خصوصا سازندگان كنترلر ها و PLCها
متو جه ساخت سيستمهاي ارتباطي شده اندو اغلب آنها را ههايي را براي ارتباط بين
سيستم هاي كنترل ساخت خو دشان پيشنهاد مي كنند.

اما با گذشت زمان و پيشرفت روز افزون صنايع و رشد چشمگير آنها استفاده از يك نوع كنترلر و
PLC در تمام سطوح كارخانه اي بزرگ امري غير ممكن مي نمايد و بنابراين بايد چاره ايي
انديشيدتا كنترلرها وPLCهاي مختلف از مارك ها و مدل هاي مختلف كه هر كدام به كنترل
سيستمي خاص مي پردازند(مثل كنترلر دستگاههاي CNCيا روباتهاي مونتاژگر) بتوانند با
يگديگر ارتباط بر قرار كنند

بنابراين مدلي جامع متشكل از هفت لايه مجزا،به نام مدل ISO براي تعريف
شبكه در نظر گرفته شد،شكل1-2،مدل هفت لايه اي ISO را نشان مي دهد.

شكل1-2 :مدل هفت
لايه ا يISO

تمام تجهيزات الكترونيكي در زمينه شبكه هاي ارتباطي امروزه از يك يا چند لايه از اين مدل
استفاده مي كنند و فعاليتهاي ارتباطي خود را تحت پوشش اين استاندارد قرار داده ا
ند. در اين بخش سعي خواهيم كرد كه تو ضيح مختصري در مورد هر يك از لايه ها به شما
ارائه دهيم.

لايه ديتالينك(Data link Layer):

اين لايه در تركيب با لايه فيزيكي مي تواند ضريب اطمينان كار با شبكه را تا حد بسيار
زيادي بالا ببرد، زيرا اين لايه به بحث در مورد تشخيص خطا ياError Detection مي
پردازدو همچنين پس از پرداختن به مقوله تشخيص خطا در امر رفع ان خطا نيز راه حل هاي
مناسبي را ارائه خواهد كرد.

بنابراين بحث در مورد Error Detectionو Error Recovery از مباحث مربوط
به اين بخش مي باشد.همچنين موارد ديگري نظير كنترل جريان اطلاعات ياData Flow كه
شامل نكاتي از قبيل زمان شروع و پايان ارسال و دريافت اطلاعات، تعاريف مربوط به
بسته بندي ياPackage اطلاعات(طول كلمه ديتا و چگونگي شروع و خاتمه ان) تعاريف مربوط
به زمان بندي بر قراري ارتباط جهت ارسال و دريافت اطلاعات ، چگونگي اعلام دريافت
اطلاعات(با و بدون خطا) توسط گيرنده،تعاريف مربوط به زمان لازم براي ماندن در حالت
انتظار جهت دريافت و ارسال اطلاعات و مواردي ديگرشبيه به اينها هستندنيز در حوزه
كار لايه ديتالينك قرار دارد.

لايه شبكه(Net work Layer):

كار اين
لايه ارائه يك مكانيزم مناسب و كارآمد براي شبكه سراسري است در واقع اين لايه يك
مكانيزم ارائه اطلاعات براي لايه انتقال دهنده آنها ارائه مي دهد،مثل شبكه اي از
چند PLC مختلف كه اطلاعات كلي خودشان را به يك كامپيوتر اصلي ارائه مي
دهند.

لايه
شبكه از تركيب سخت افزار و نرم افزار هاي مناسب براي ارائه پروتكل هاي كارامد
ارتباطي نظير X.21,X.25,X.75 استفاده كرده و مناسب ترين روش هاي فشرده سازي اطلاعات
جهت دستيابي به سرعت هاي بالاتر ارتباطي را ارائه مي دهد.

لايه انتقال(Transport Layer):

اين
لايه در مورد اتصال وارتباط يك شبكه با شبكه اي ديگر صحبت مي كند،در واقع از اين
لايه به بعد،شبكه خيلي تخصصي تر و دقيق تر شده و هركدام مي توانند پيچيدگي هاي خاص
خو دشان را داشته با شند،اما اغلب شبكه داراي نكات بسيارمشابهي در سه لايه اوليه
هستند.

در اين
لايه همچنين درمورد استفاده از لايه هاي بالاترجهت نظارت بركار لايه هايپائين تربحث
مي شود.

Application Layer

اين پروتكل يك فرستنده را به چند گيرنده (تا ده ايستگاه) متصل مي كند و حداكثر فاصله
انتقال داده براي آن 1200 متر است . يكي از عوامل محدود كننده سرعت Slew Rate است .
بدين معنا كه دامنه ولتاژ در RS 232بالاست و به همين علت دست يافتن به سرعت بالا با
توجه به خازن خط و پيچيدگي مدار مشكل است . براي افزايش سرعت لازم است دامنه سطوح و
لتاژ كاهش يا بد . در همين راستا ولتاژ منطقي “1”در RS 423 برابر 3.6v- تا 6v- است
و ولتاژ“0” منطقي برابر 3.6v تا 6v است . بدنبال اين تغيير، سرعت انتقال داده در RS
423 چهار برابر RS 232 است .

RS-422: شباهت زيادي به RS 232دارد ولي تا 16گيرنده
را پشتيباني مي كند. اين پروتكل كه از خطوط بالانس براي انتقال داده استفاده مي
كند، اثر نويز پذيري را بشدت كاهش داده است . در ورودي گيرنده ها از تقويت كننده
ديفرانسيل استفاده شده است لذا به نسبت حذف مد مشترك ، نويز از بين مي رود. بيشترين
سرعت اين پروتكل در 3 متر فاصله ، برابر 10Mbpsاست حداكثر فاصله مي تواند 1200 متر
باشد كه متناسب باآن سرعت كاهش مي يابد.

گيرنده
و فرستنده بصورت ولتاژي كار مي كند(از سيگنالهايي با جنس ولتاژي استفاده مي كند)كه
اين نوع رفتار باعث نويز پذيري بيشترنسبت به جريان مي شود.

RS-485: بيش از 32 فرستنده و گيرنده را پشتيباني مي
كند. در اين استاندارد مي توان بيش از يگ گره را به عنوان رئيس (Master)معرفي نمود
زيرا مدارت سه وضعيتي هستند و با كمك يك مدار جانبي حالتهاي مختلف يك خط را كنترل
مي كنند و به اين روش گره هم قابليت دريافت و هم ارسال خواهند داشت . در اين پروتكل
انتقال داده به صورت جرياني انجام مي گيرد و بيشترين اعوجاج را در ورودي مي پذيرد.
اثر نويز در انتقال جرياني كمتراز ولتاژي است زيرا ميزان انرژي كه بتواند جرياني را
توليد كند و بر سيگنال جريان اثر بگذارد ، از معادل ولتاژي بيشتر است
.

بيشترين
مسافت براي ارسال داده 1200 متر و رعايت حداقل طول (30m)براي سيم رابط اتصال كابل
شبكه به گذرگاه الزاميست. استفاده فراگير از RS 485باعث ساخت كارتهاي كامپيوتري و
انواع مبدل براي اين پروتكل شده است.

گذرگاه H1: اين استاندارد در IEC 1158-2تعريف شده
است و با سرعت 31.25Mbps براي شبكه سازي سطوح بسيار اتوماسيون صنعتي يعني
سنسور-محرك استفاده مي شود .سيم كشي بصورت زوج سيم بهم تابيده بطول 1900 متر و
همچنين 32 دستگاه متصل ، كه از همان دو سيم تغذيه مي شود ، پياده سازي مي شوند. در
صورتي كه حفاظت و اطمينان واقعي مورد نياز باشد، استاندارد، استفاده از4 دستگاه
متصل به شبكه رامجاز مي داند. امروزه اين پروتكل در ميان استانداردهاي گذرگاههاي
صنعتي جايگاهي ويژه پيدا كرده است.

گذرگاه H2: گذرگاهي با سرعت بالا (حدود 100Mbps)است
براي ايجاد شبكه در لايه مياني شبكه هاي صنعتي نظير لايه سلول مناسب
است.

Highway Addressable Remote Transducer): HART )
يك پروتكل ارتباطي كه به صورت چشمگيري در
صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.HART از يك فركانس سطح پايين سينوسي براي انتقال
داده ديجيتال به مقصد استفاده مي كند.

اين
فركانس براي صفر و يك منطقي 1200Hzو2200Hzاست سرعت انتقال داده در ان به 1200bps
محدود مي شود كه ضعف عمده اين پروتكل ارتباطي است. مزاياي اين پروتكل عملكرد چند
انشعابي، انتقال روي دو رشته سيم، كاركرد مناسب در محيطهاي پر نويز و قابليت
برقراري ارتباط بين تجهيزات توليد كنندگان مختلف (Interoperability) مي
باشد.

4-2 معرفي واسطهاي انتقال و عوامل موثر در
انتخاب:

منظور از واسط انتقال ، نوعي اتصال فيزيكي ميان ايستگاهاي شبكه است كه به واسطه ان پيغام
ها ميان دو يا چند استگاه ردو بدل مي شوند. معروف ترين واسطهاي انتقال در شبكه ها ،
كابل كواكسيال، زوج سيم بهم تابيده و فيبرنوري مي باشند كه در ادامه خلاصه اي از
ويژگيهاي انها بيان خواهد شد. واسطهايي همچون گيرنده هاي راديويي و مادون قرمز و
همچنين خطوط انتقال تلفن و ماهواره ها نيز در برخي مواقع مورد استفاده قرار مي
گيرند.

1. كابل كواكسيال: اين خط انتقال از يك هادي استوانه
اي پر شده از دي الكتريك و يك هادي مركزي تشكيل شده است. اين واسط انتقال فيزيكي
معمولا در اشكال 50،75،91 اهم توليد مي شوند. كه درشبكه هاي 10Mbpsو 100Mbps بخوبي
قابل استفاده هستند.براي مثال شبكه هاي محلي 10 base 5،10 base 2، 10 base T به
ترتيب در فواصل 500، 200 و100متر مورد استفاده قرار مي گيرند.نويز پذيري كابل
كواكسيال در مقايسه با انواع مسي ( نظير زوج سيم بهم تابيده) كمتر است. زيرا روكش
مناسب تري براي آن استفاده مي شود. بنابراين جهت انتقال در فواصل نسبتا طولاني نيز
استفاده مي شوند.

اين كابلها علاوه بر استفاده عمومي در انتقال ديجيتال شبكه هاي محلي (LAN) كه انرا base
bandگويند در ارسال داده هاي آنالوگ آنتن تلويزيون نيز بكار گرفته مي شود.اين نوع
انتقال در اصطلاح broad bandناميده مي شود.

2.زوج سيم بهم تابيده: همچنان كه از نام آن پيداست از
بهم تابيدن دو هسته مسي عايق دار تشكيل شده است و در نوع روكش دار يا STP و بدون
روكش يا UTPتوليد مي شود.درنوع روكش دار، برروي سيم هاي تابيده يك عايق مخصوص
پيچيده مي شود كه در نوع بدون روكش تنها به يك روكش از جنس PTC اكتفا شده
است.ETA/TIA پنج استاندارد را براي زوج سيم بهم تابيده بدون روكش پيشنهاد مي كند كه
عبارتند از:cotegory1 تا cotegory5. نوع اول براي خطوط تلفن در دو رشته ،پيشنهاد و
استاندارد شده است. نوع دوم به منظور انتقال داده در سرعت 4Mbps توسط جهار زوج سيم
و نوع سوم تا سرعت 10Mbps قدرت انتقال داده را دارد و گاهي در شبكه هاي ATM بكار مي
رود.

3.فيبر نوري :انتقال در خطوط فيبر نوري به روش تابش
امواج نوري ميان آئينه هاي موجود در فيبر صورت مي گيرد. واضح است كه براي اتصال
فيبر به دستگاههاي الكتريكي در ابتدا و انتهاي آن ، مبدل سيگنال الكتريكي به امواج
نوري و يا بر عكس آن استفاده مي شودآنچه از ماهيت اين واسط فيزيكي مشخص مي گردد اين
است كه تلفات انرژي در اين خطوط بسيار كم است در نتيجه بدون استفاده ازتكرار كننده
امكان انتقال تا مسافت طولاني (حدود 10 كيلو متر) وجود دارد. نويز الكترو مغناطيسي
بر اين خط بي اثر است و ليكن بيش ازساير خطوط انتقال نياز به محافظت فيزيكي دارد و
اسيب پذيري آن بالاتر است. طراحي و پياده سازي شبكه با استفاده از اين خطوط به نسبت
گرانتر وپيچيده تر از سا ير واسط هاي انتقال است و نكته قابل توجه در مورد فيبر
نوري اين است كه به دليل عدم بروز خطا بر اثرتداخل امواج الكترو مغناطيسي،پروتكل
هاي لايه پيوند در اين نوع شبكه ها مي تواند بسيار ساده باشد.

همچنين
امكان شنود در آن دشواراست و بهمين دليل كاربرد نظامي دارد.

اما در
سال هاي اخير بحث در مورد مدل هاي استاندارد ارائه شده توسط سازمان هاي معتبري چون
ISOياInternational Standard Organization وهمچنين موسسه ديگري به نام
CCITTيا

Consultative Committee On International telegraphy and
telephony

بسيار
جدي شده و مدل هاي قابل قبول اين سازمانها به صورت وسيعي مورد استفاده قرار مي
گيرند،در اينجا به شرح مختصري در مورد چند پروتكل مهم خواهيم پرداخت.

پروتكل Transmission Control Protocol Internet)
,TCP/IP)

TCP/IP يكي ديگر از استانداردهاي شبكه است كه در حين مطالعه و بررسي شبكه هاي صنعتي در
كارخانه ها با آن مواجه خواهيد شد ،اين پروتكل براي لايه هاي 3و4 از مدلISOطراحي
شده است.

TCP عمدتا براي لايه انتقال ياTransport طراحي شده و پروتكل Internetبراي لايه شبكه يا
Network layer طراحي شده است.بنابراين هر دو آنها به تجهيزات مختلف از سازندگان
متفاوت اجازه بر قراري ارتباط وتبادل اطلاعات را مي دهد. اين سري از پروتكلها توسط
DODيا Department of Defense طراحي و ارائه شده است.