دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
دسته بندی : فنی و مهندسی _ برق مخابرات الکترونیک
فرمت فایل : Doc ( قابلیت ویرایش و آماده چاپ ) Word
قسمتی از محتوی متن ...
تعداد صفحات : 34 صفحه
اتوماسیون صنعتی و شبکه های ارتباطی خلاصه پیشرفت فن آوری اینترنت و شبکه های ارتباطی در دهه های اخیر ایجاب می نماید تا به لزوم بکارگیری شبکه های ارتباطی در صنعت و در این راستا شبکه ای کردن دستگاهها و سنسورهای صنعتی بپردازیم.
در این مقاله نگاهی اجمالی به اتوماسیون صنعتی و نقش شبکه های ارتباطی در توسعه صنعت داریم .
در ابتدا با بیان تاریخچه اتوماسیون صنعتی , به ذکر اطلاعات پایه اعم از سطوح سلسله مراتبی اتوماسیون صنعتی و پروتکل MAP ( پروتکل اتوماسیون صنعتی) می پردازیم.
در ادامه ملزومات اساسی طراحی و ارتباطات قسمتهای مختلف یک شبکه صنعتی شرح داده می شود و با اشاره به توسعه شبکه های ارتباطی به نقش ارزنده اتصال دستگاهها و سنسورها در دنیای صنعت می پردازد .
انواع شبکه های صنعتی با ذکر محاسن و معایب هر یک بررسی شده و نشان می دهد که چگونه می توانیم شبکه های سرعت بالا مانند Ethernet را با شبکه های سطح پایین تر (مانند : Fieldbus) جهت افزایش کارایی ترکیب نمود و همچنین اهمیت استفاده از پردازنده ها و رابطهای کامپیوتری 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 یک شبکه ارتباطی در صنعت به کار خود خاتمه می دهد.
فصل 1 – شبکه های صنعتی مقدمه هنگامیکه در دهه شصت تکنولوژی های اتوماسیون دیجیتال در دسترس قرار گرفت از آنها جهت بهبود و توسعه سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده شد .
مفاهیمی مانند : صنایع خودکار(CIM) و سیستمهای کنترلی خودکار توزیعی (DCCS), در زمینه اتوماسیون صنعتی معرفی گردید و کاربرد شبکه های ارتباطی تقریبا“ رشد قابل توجهی نمود.
کاربرد سیستمهای اتوماسیون صنعتی گسترش پیدا کرد بطوری که تعدادی از مدلهای دیجیتالی آن برای شبکه های ارتباطی جهت جمع آوری اطلاعات و عملیات کنترلی سطح پائین (سطح دستگاهای عمل کننده) با هم در ارتباط بودند.
در یک سیستم مدرن اتوماسیون صنعتی , ارتباط داده ها بین هر یک از دستگاههای اتوماسیون نقش مهمی ایفا می کند , هدف از استانداردهای بین اللملی برقراری ارتباط بین همه دستگاههای مختلف اتوماسیون است.
از این رو کوششهائی جهت استانداردسازی بین المللی در زمینه شبکه ها صورت گرفت که دستاورد مهم آن پروتکل اتوماسیون صنعتی (MAP) در راستای سازگاری سیستم های ارتباطی بود.
پروتکل MAP جهت غلبه بر مشکلات ارتباطی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون گسترش پیدا کرد و بعنوان یک استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در کارخانه ها 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 وقابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می گردد.
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 می باشد.
زیرا عهده دار تبادل اطلاعات است.
بنابراین جهت دست یافتن به مقادیر صحیح بایستی اتصالات ارتباطی بین ایستگاههای مختلف شبکه 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 شبکه ارتباطی دارد .
در مثال فوق یک ساختار سلسله مراتبی از یک سیستم اتوماسیون صنعتی نشان داده شده است.
سطح Element سطح فیزیکی اتوماسیون شامل دستگاها و سنسورهای عمل کننده است که پردازش های فنی را انجام می دهند.
سطح فیلد Field Level پایین ترین سطح اتوماسیون سطح Field است که شامل دستگاههای کنترلی مانند PLC و CNC 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:RS232C , RS422 و 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 بکار می رود .
از آنجاییکه 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.
سطح Cell (Cell Level) در سطح Cell جریان 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 سطحCell سیستم اتوماسیون افزایش دادند Ethernet همراه با TCP/IP بعنوان یک استاندارد واقعی برای این سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست یک ارتباط وابسته به زمان ( Real-Time ) را فراهم کند.
سطح Area (Area Level) در سطح Area , Cell 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.
سطح Plant (Plant Level) 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.
1 – 3 وسیله انتقال معیار اصلی در انتخاب یک شبکه ارتباطی , سیستم کابل بندی فیزیکی یا وسیله انتقال است.
که اغلب کابلهای کواکسیال یا Twisted می 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 1 کیلومتر 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 بالا ئی 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 گیگا بایت است.
هرچند که تجهیزات آن گران و بکاربردن 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.
1 -4 روشهای انتقال انتقال اطلاعات می تواند بصورت دیجیتال یا آنالوگ باشد , مقادیر داده ای آنالوگ دائما “ تغییر می کند 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 که بستگی به مسیر ارسال اطلاعات دارد.
در روش انتقال همزمان کاراکترها با استفاده از کدهای Start , Stop ارسال می شوند و هر کاراکتر می تواند مستقلا “ و با سرعت یکنواخت ارسال شود.
روش ارسال همزمان روش کارآمدتری می باشد زیرا اطلاعات در بلوکهایی از کاراکترها 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 شبکه 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 فرکانس ولی در Broadband داده ها بصورت رنجی از فرکانسها که در یک کانال تقسیم می شوند ارسال می شوند.
در روش Carrie Band فقط از یک فرکانس جهت ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می شود.
1-5 پروتکل MAP شبکه های ارتباطی جهت اتوماسیون صنعتی توسعه یافتند .
تا قبل از آن اغلب شرکتها از شبکه های ارتباطی خصوصی خودشان جهت انجام کارها استفاده می کردند, ولی زمانی که اتوماسیون صنعتی برای اولین بار آمده بود پایه ای برای سایر محصولات سیستم های کنترلی شد .
بطوریکه سیستم های اتوماسیون گسترده شده و از محصولات مختلف با یکدیگر متصل شدند.
اما مشکل بزرگی که بر سر راه اتوماسیون صنعتی قرار داشت این بود که آنها دریافتند در یک شبکه, اتصال تجهیزات از نوعهای مختلف به یکدیگر خیلی گران و مشکل است .
بعنوان نمونه در اواخر دهه 1970 شرکت ژنرال موتور متوجه شد که بیشتر از نیمی از بودجه اتوماسیون صرف بکارگیری رابطهای سفارشی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون شده است به علاوه اغلب دستگاههای مورد استفاده در آن زمان قادر به برقراری ارتباط شبکه ای با محیط بیرونی خود نبودند, وضعیت مشابهی نیز در شرکت Boeing موقعی که آنها در نظر گرفتند چندین مرکز اطلاعاتی مختلف را بهم متصل کنند بوجود آمد.
کامپیوترهای مختلفی از بیش از 85 محصول متفاوت با هم در ارتباط بودند .
این دو تجربه یک تصویر روشن از جهان ارتباطی در یک نمونه صنعتی بود و شرکتهای GM و Boeing را وادار به یافتن راه حل کرد تا اینکه در پروژه پروتکل اتوماسیون صنعتی (MAP) نتیجه داد.
اولین نسخه MAP فقط یک محصول با ویژگیهای خاص بود که در پائیز 1982 پذیرفته شد.
زیربنا گروه استفاده کنندگان MAP در سال 1984 نقطه عطفی در تاریخ MAP برجای گذاشت برای اینکه با پشتیبانی عظیم صنعتی جهت استاندارد کردن مواجه شد.
در سال 1984 نمایشی ساخته شد که امکان استفاده از شبکه 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 که کاربردهای تجاری داشت MAP 2.
1 بود.
این مدل پروتوکل هایی را که 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 که شبکه 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 کردن روشهایی برای ایجاد شبکه های ارتباطی با کارایی بالا در سیستم های اتوماسیون بود.
نسخه 3.
0 آن در سال 1988 در نمایشگاه ENE در Baltimore به نمایش گذاشته شد که اولین نسخه ثابت بود, بحث بر سر موضوع MAP بر پایه همین نسخه خواهد بود.
نقشه پروتکل Full-Map نشان داده شده در شکل 2.
3 شامل یک 7 لایه ای کامل OSI است.
Full Map قابلیت انعطاف زیادی برای ایستگاههای ارتباطی دارد قسمت دوم 2-1 ملاحظات طراحی : طراحی شبکه ارتباطی از لحاظ دقت و ارزیابی متفاوت از سایر طراحی ها می باشد.
طراحان جهت رسیدن به بالاترین کارایی شبکه با قیمت مناسب در تلاش هستند و جهت رسیدن به این هدف بایستی تجهیزات ارتباطی و ملاحظات طراحی برای یک سیستم اتوماسیون بررسی شود.
تعیین استراتژی کلی مهمترین قدم در طراحی شبکه ارتباطی است.
سیستم اتوماسیونی که از شبکه ارتباطی استفاده خواهد کرد بایستی بررسی شده و اهداف شبکه ارتباطی آن احراز شود.
موارد اصلی که در طراحی یک شبکه باید لحاظ شوند عبارتند از : هزینه , کارایی , قابلیت اعتماد و در دسترس بودن , سرویس یا عملکرد شبکه , تحمل پذیری محیط , وسیله انتقال ,قابلیت توسعه , نگهداری و امنیت.
هزینه COST هزینه شبکه کردن به دو هزینه اولیه و اجرائی تقسیم می شود.
هزینه اولیه شامل: خریداری نرم افزار ,سخت افزار ,طراحی ,نصب و شروع بکار است و هزینه اجرائی , نگهداری سخت افزار و نرم افزار , پرداخت دستمزد و هزینه های عیب یابی شبکه ,توسعه و تنظیم تغییرات شبکه می باشد.
عملکرد(کارایی) Performance عملکرد مناسب در یک شبکه ضروری است و بدون آن فعالیتهای ارتباطی نرمال مختل می شود و برنامه های کنترل پردازش , مدام درخواست اجرای محاسبه کرده و مدار تولید دچار مشکل می شود.
در یک برنامه ریزی موثر بایستی حداقل یک برآورد از درخواستهای اجرائی داشته باشیم.
بارگزاری و سرعت شبکه فاکتورهای اصلی در تجزیه و تحلیل عملکرد شبکه هستند.
تحلیل و تعریف برنامه های شبکه همچنین عملکرد و تعیین ترافیک ارتباطات نیز از موارد مهم هستند.
عوامل تعیین کننده عملکرد شبکه های ارتباطی عبارتند از: 1 - Transmission Speed: سرعت انتقال شبکه (میزان انتقال بیتهای اطلاعاتی برروی کابل شبکه است).
2 - Response Time: زمان پاسخ, زمانی است که صرف پاسخ به عمل اجرائی یک کاربر یا برنامه هایی که درخواستی را ارسال می کنند می شود.
همچنین شامل زمانی است که سیستم های دریافت و ارسال کننده صرف پردازش درخواست و پیغام پاسخ می کنند همچنین زمانی که صرف تاخیر انتقال اطلاعات در شبکه می شود.
3 - Utilization: ابزار Bandwidth به استفاده از حداکثر ظرفیت (پهنای باند) اشاره دارد و معمولا“ بصورت نمودار نشان داده می شود.
در ارتباط با حداکثر ظرفیت شبکه ارتباطی اصول واضحی وجود ندارد.
4 - Throughput: توان عملیاتی یک شبکه ارتباطی, نسبت تعداد بیتهای اطلاعاتی به واحد زمان جهت انتقال است.
قابلیت اعتماد و در دسترس بودن Reliability Or Availability قابلیت اعتماد یک وسیله یعنی احتمال اینکه یک وسیله مطابق با ویژگیهایش در یک دوره زمانی عمل خواهد کرد.
و طریقه معمول تعیین قابلیت اعتماد یک وسیله MTBF نامیده می شود (Mean Time Between Failure).
قابلیت دسترسی یک وسیله مدت زمانی است که انتظار می رود وسیله در این مدت عملکرد کاملی 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 یک شبکه ارتباطی با تشخیص و رفع بموقع خطاها امکان پذیر است بنحوی که طراح شبکه بتواند در صورت بروز سیگنالهای خطا در قسمتی از شبکه بلافاصله خطوط و یا دستگاههای پشتیبان را برای نقاط بحرانی جایگزین کند.
برای بالا بردن قابلیت دسترسی یک شبکه ارتباطی یکی از قواعد زیر را می توان بکار برد: 1 – پردازشهای حساس بایستی در زیر شبکه هایی قرار گیرند که حتی در صورت خرابی کانال اصلی شبکه بتوانند مستقلا“ اجرا شوند.
بعنوان مثال پردازشهای خط تولید که توسط یک کنترل کننده در سطح Cell بازبینی(monitoring) می شوند می توانند بدون وقفه و حتی طولانی تر از کنترل کننده ای که برق سیستم را بازبینی می کند ادامه یابند.
2 – پیکربندی شبکه بایستی ساده باشد.
زیرا وسعت زیاد , پیچیدگی زیاد شبکه و تکنولوژی می تواند مشکل ساز باشد.
3 – تا جایی که ممکن است دستگاهها با بالاترین قابلیت بکار گرفته شوند.
سرویس یا عملیات شبکه Service Or Network Functionality طراح شبکه در هر لحظه باید بداند چه قسمتی از اطلاعات شبکه و چه عملیاتی برای رسیدن اطلاعات به مقصد مورد نیاز است.
عملیات لازم در شبکه های ارتباطی صنعتی می تواند شامل موارد زیر باشد: انتقال فایل – ارتباط ایستگاهای مختلف به یکدیگر – download یا upload کردن مجموعه ای از اطلاعات – احضار برنامه – ارسال و دریافت اطلاعات – پشتیبانی برنامه های توزیع شده.
تحمل پذیری محیط Tolerance For Environment شبکه های ارتباطی صنعتی اغلب در نواحی مضر پیاده می شوند و می توانند در معرض نویزهای ناخواسته قرار گیرند.
بنابراین شبکه های ارتباطی برای سیستم های اتوماسیون صنعتی بایستی در برابر امواج الکترومغناطیسی (EMI) و تداخل فرکانسهای رادیویی همچنین هوای آلوده , حرارت بالا و تغییرات آب و هوا مقاوم طراحی شوند .
پیاده سازی شبکه در یک محیط صنعتی با EMI بالا ممکن است خرابی Packet های اطلاعاتی , تداخل در‌بارگزاری برنامه ها و در نهایت کاهش توان عملیاتی شبکه را بدنبال داشته باشد.
وسیله فیزیکی انتقال Physical Media انتخاب مناسب وسیله فیزیکی انتقال یک تکنیک و یک تصمیم گیری مهم اقتصادی است زیرا پایداری یک شبکه ارتباطی به پایداری تجهیزات فیزیکی آن بستگی دارد.
قابلیت توسعه Expandability شبکه های اندکی هستند که می توانند در برابر سرعت رو به رشد تکنولوژی و نیازهای کاری, پایدار باقی بمانند .
لذا طراح شبکه باید همیشه یک فاکتور قابل انعطاف برای رشد داشته باشد.
نگهداری Maintenance همه شبکه ها باید نگهداری و سرویس شوند.
یک طراح خوب بایستی نگهداری پیش گیرانه , به روز و ساختار بندی شده ای بدون وقفه عملیاتی از شبکه داشته باشد .
امنیت Security اهداف اصلی از اقدامات متقابل در برابر حمله به امنیت شبکه عبارتند از : به حداقل رساندن احتمال حمله توسط تهیه روشها و دستگاههای حفاظتی .
مشخص کردن هر تجاوزی با سرعت ممکن.
توانائی مشخص کردن اطلاعاتی که ممکن است موضوع حمله باشند و تعیین اطلاعات کنترلی و وضعیت ها برای نجات یافتن از حمله.
2-2 ملزومات ارتباطی سیستم های اتوماسیون صنعتی ملزومات ارتباط ممکن است به سطح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی که 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 محرکهایی که روی آن سنسورها به تجهیزات کنترلی 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 شوند در نتیجه پوشش حفاظتی یا سطح ایمنی احتیاج دارند.
3 – فاصله زیاد : اتصال دستگاهها در فاصله های دور جهت عملیات راه دور باید ممکن باشد مانند: ایستگاههای پمپاژ.
4- قدرت توزیع : قدرت ( تغذیه) بطور نرمال برروی دو کابل 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 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 سیگنالهای خطا, زمانهای 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 فیلد انتقال یابند سخت افزار 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 باید به 100% 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 غیرمجاز 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 الکترونیکی از بکاپ برای منابع قدرت اضافی ‚ باطری ها و ژنراتورهای تولید برق استفاده می کنند .
6 - مدیریت شبکه : مدیریت شبکه باید روشهای ترمیم خطا ‚ پیکربندی مجدد سیستم ‚ امنیت ‚تشخیص کارایی ‚ حسابداری ‚عیب یابی خطا ‚ نگهداری و آموزش را برای کاربران ویژه فراهم کند .
2-3 فرایند طراحی شبکه ارتباطی طراحی یک شبکه ارتباطی پیچیده بوده و بایستی روشهای تحلیل سیستم استاندارد را دنبال کند.
روش طراحی معمولی شامل چرخه زندگی سیستم و فازهای مربوط به آن می شود.
چرخه زندگی یک سیستم ممکن است مانند شکل 3.
1 ترسیم شود هرچند فازهای چرخه زندگی بصورت رشته ای پشت سر هم است ولی طراح ممکن است یک برگشت به یکی یا بیشتر از فازها داشته باشد.
امکان سنجی Feasibility Study امکان سنجی جهت تعریف موضوعات آشکار موجود در سیستم است و مشخص می کند آیا یک شبکه ارتباطی برای سیستم اتوماسیون صنعتی قابل استفاده می باشد یا خیر.
البته شامل مشخص شدن نوع شبکه ای که اجرا می شود نمی باشد هرچند طراح نیاز دارد همه مسائل و احتیاجات لازم جهت ایجاد سیستم اتوماسیون را بداند.
فاز امکان سنجی به مراحل زیر تقسیم می شود : تعریف مسئله ‚ تحلیل مسئله و مرحله مشخص کردن راه حل ها.
تعریف مسئله اولین مرحله در امکان سنجی جهت تمایز مسائل و راه حل ها است .
دومین مرحله تحلیل مسئله است ‚ مسائل باید تحلیل شوند که چگونه ممکن است منجر به تعیین یک شبکه جدید یا به روز کردن یک شبکه موجود شوند و آیا امکان پذیر است یا خیر.
سومین مرحله امتحان راه حل های ممکن جهت تعریف مسئله است و همچنین مشخص شدن بهترین راه حل و اینکه آیا به طور واقعی مبتنی بر اطلاعات جمع آوری شده می باشد یا خیر.
تجزیه و تحلیل Analysis در این فاز نیازهای شبکه ابتدا از روی اطلاعات جمع آوری شده در فاز امکان سنجی توسط مدیر پروژه قطعی و تایید شده و سپس توسط طراح بکار گرفته می شود.
نیازهای تنظیم شده بایستی برنامه های کامپیوتری 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 اینکه اطلاعات چگونه پردازش و استفاده شوند.
در یک نتیجه گیری کلی تنظیم نیازها ‚ فعالیتهای کاری را که شبکه ای و خودکار خواهند شد مشخص می کند.
آنها فعالیتها را به اطلاعات ورودی و خروجی ‚ میانگین انتقال اطلاعات ‚ محل و چگونگی استقرار اطلاعات و جغرافیای محلی که اطلاعات در آن باید تولید و پردازش شوند مرتبط می سازند.
تجزیه و تحلیل اطلاعات خام که در فاز امکان سنجی صورت می گیرد به مشخص شدن حجم اطلاعاتی که باید در شبکه منتقل شود کمک می کند.
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 شبکه ارتباطی بررسی شود.
3 – قابلیت اعتماد و دسترسی شبکه ارتباطی بررسی شود 4 – سازگاری محیط و سیستم های موجود با OSI و نوع های دیگر سیستم عامل شبکه نیز بررسی شود.
5 – هزینه کابل , دستگاههای رابط ( پل ها ,روترها ,دروازه ها) مودم ها, نصب و طراحی شبکه , توسعه و نگهداری نرم افزار کاربردی نیز مشخص شده باشد.
طراحی Design فاز طراحی یکی از فازهای بزرگ چرخه زندگی سیستم است .
در این فاز یکسری از مشخصه های داخلی و خارجی ارائه می شود.
مشخصه های داخلی شامل تعیین اجزا کل شبکه و عملکرد آنها و مدلهای ساخت شبکه است.
مشخصه های خارجی شامل زوایای دید کاربر وقتی که از شبکه استفاده می کند می باشد.
جهت برآوردن نیازهای شبکه 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 شبکه و نیازهای ضروری.
2 – تعیین سرویسهای کاربری مورد نیاز , توابع و رابطهای برنامه کاربردی.
3 – تعیین عوامل موثر بر کارایی شبکه مانند: ظرفیت انتقال شبکه ,روشهای دسترسی وسیله ارتباطی , نوع وسیله ارتباطی و مکانیزم ترمیم خطا.
4 – طراحی معماری کل سیستم شبکه 5 – طراحی سیستم شبکه محلی در هر قسمت از سیستم شبکه 6 – طراحی سطوح ارتباطی بین سیستم های شبکه محلی 7 – طراحی سیستم مدیریت شبکه اجرا Implementation در طی فاز اجرا , اجزا شبکه خریداری و نصب می شوند.
این فاز را می توان به موارد زیر تقسیم نمود: مالکیت نرم افزار و سخت افزار, نصب , تست , مستند سازی و Switch-Over .
در صورت اجرا یک شبکه جدید باید سیستم عامل مورد نیاز شبکه , نرم افزار کاربردی و مدیریتی و پروتکل های ارتباطی تهیه شوند.
تست کردن به روش مجتمع اجرا می شود یعنی سخت افزار و نرم افزار باید از لحاظ کاربردی تست شوند همچنین سعی در انجام پردازش هائی که ترافیک شبکه را کاهش می دهند و یا یک FeedBack برای هماهنگی ایجاد نمود.
با تست کردن یکپارچه که در طی فاز طراحی باید انجام شود از عملکرد صحیح همه قسمتهای سیستم اطمینان حاصل می شود و باید روش کاملی باشد تا نتایج حاصله عملیات کل شبکه را در شرایط واقعی منعکس کند.
هر مرحله ای از فاز طراحی شبکه باید مستند شده و در فاز اجرا تکمیل شود .
مستند باید شامل هر وضعیت شبکه از زمان آغاز تا اجرای نهائی باشد.
این مستندات می تواند از راهنماهای مرجع ,دستورالعملهای نگهداری و کاربری و همه منابع استفاده شده در فاز امکان سنجی باشد.
مرحله Switch-Over شامل انتقال همه تغییرات از سیستم قدیمی به جدید است و محصول نهائی این مرحله شبکه کاری فعال است.
نگهداری و به روز رسانی Maintenance and Upgrade آخرین فاز از چرخه زندگی سیستم شبکه, نگهداری و بروز رسانی اجزا شبکه است.
در طی دوره نگهداری وبروز رسانی , سیستم جهت نگهداری سطوح اجرائی و اصلاح مشکلات فعال و هماهنگ است .
فصل 2 - شبکه های صنعتی قسمت اول اینترنت به صورت یک نیروی فراگیر گسترش یافته است بطوریکه نحوه زندگی و کار ما را تعریف می کند .
هر نوع دستگاهی را که تصور کنید سرانجام شبکه ای می شود .
و اتصال فراگیر سنسورها قبل از اینکه در عرصه مصرفی ظاهر شود در دنیای صنعت دارای ارزش می شود و در حقیقت سنسورها را از دستگاههای اطلاعاتی به دستگاههای ارتباطی تبدیل کرده است.
اما دنیای سنسورها خیلی متنوع تر از دنیای کامپیوتر است و در اغلب موارد شبکه کردن یک سنسور با قابلیت پاسخ خودکار خیلی گرانتر از اتصال یک کامپیوتر است و روشهای متفاوتی برای انجام آن وجود دارد .
ازدیاد استانداردهای شبکه ای و مشکلات اساسی در پشتیبانی بیشتر از یک پروتکل بسیاری از تلاشهای مهندسین را متوقف کرده است .
در این قسمت درباره شبکه ای کردن سنسورها توضیح داده می شود.
2-1-2 چرا یک سنسور را شبکه ای می کنیم؟
هنگامی است که چندین دستگاه را بهم متصل می کنیم اولین و واضح ترین دلیل صرفه جویی در سیم کشی است .
اتوماسیون تولید و برنامه های کنترلی بطور وسیع از شبکه های صنعتی استفاده می کنند.
کاهش کابلهای بزرگ بخصوص اگر به صورت سیم پیچ در آمده باشند یک مزیت آشکار محسوب می شود (رجوع شود به تصویر1).
تصویر 1 – در سمت چپ تابلو (پانل) کنترلی یک سیستم اتوماسیون وجود دارد که بصورت نقطه به نقطه سیم پیچی شده است و درسمت راست همین تابلو با مدل Device Net به صورت شبکه ای سیم کشی شده است.
به کاهش چشمگیر سیم ها وساختار ساده فیزیکی سیستم توجه کنید.
هرچند که هزینه تجهیزات در سیستم های شبکه ای بیشتر است ولی در فاکتورهائی مانند :سیم کشی وخطاهای آن و نیروی انسانی صرفه جوئی می شود و مدیریت قسمتهای مختلف سیستم از طریق شبکه آسانتر است.
شبکه کردن این امکان را به ما می دهد که چند صد دستگاه را به یک مسیر ارتباطی اصلی بدور از سیم کشی اضافی متصل نماییم .
بویژه وقتی که سیستمها از آستانه 100 اتصال I/O ( ورودی /خروجی) گذشتند هزینه اضافی سخت افزار شبکه با صرفه جویی در زمان سیم کشی خنثی می شود.
پیمانه ای بودن یکی دیگر از مزایای مهم شبکه است.
( رجوع شود به شکل 1) شکل 1 – صرفه جویی در هزینه با اندازه سیستم خود رانشان می دهد معمولا“ سیستم های با 100 دستگاه یا بیشتر اگر از شبکه استفاده نمایند هزینه کاهش می یابد .
سیستم های شبکه شده می توانند سریعتر از پیکربندی فیزیکی توسط نرم افزار پیکربندی شوند .
پیمانه ای بودن امکان جالبی برای طراحی دستگاه است.
از آنجاییکه ارتباط دستگاهها با نرم افزار دست یافتنی است لذا جابجایی یک سیستم بزرگ , سوار کردن آن روی یک مسیر و دوباره بستن قطعات آن در هر مکانی بسیار آسان است.
به علاوه سه دلیل عمده برای صرفه جویی سیم کشی و پیمانه ای بودن سیستم , در شبکه کردن یک سنسور وجود دارد: 1 - امکان عیب یابی یک دستگاه شبکه ای اگر خوب کارنکند یا خرابی پیش بیاید در اغلب موارد از طریق سیستم به کاربر اطلاع داده می شود این اطلاعات می تواند کمک بزرگی باشد.
ارزش آن وقتی بیشتر می شود که اطلاعات از راه دور و از طریق اینترنت در دسترس باشد.
2 – پیکر بندی مناسب کنترل کننده ها بطور خودکار می توانند مشخص کنند کدام اجزا مستقل به شبکه متصلند و تعیین کنند چه تنظیم نرم افزاری انجام شده .
این در حقیقت می تواند زمانهایی را که یک سیستم بزرگ بدون انتقال داده می ماند و زمان راه اندازی مجدد را کوتاه کند.
3 – سیستم های اطلاعاتی اقتصادی با به هم پیوستن هر سیستم بعنوان مثال در یک شرکت تجاری کلیه عملیات از حسابرسی تا لیست حقوق و فروش بین چندین دستگاه تقسیم و توسعه می یابد و هر اطلاعات با ارزشی , به شرطی که درست استفاده شود در انتها منجر به افزایش سرمایه می گردد.
امکان برنامه ریزی مجدد (تغییر کارایی ) یک سنسور از طریق شبکه ای کردن برای صرفه جویی در زمان سیم کشی و یا ایجاد یک سیستم پیمانه ای اتصال صدها سوئیچ و محرک از طریق شبکه یک کار مقرون به صرفه و یک واقعیت دیگر از کاربرد شبکه جهت جمع آوری اطلاعات بیشتر نسبت به یک سیستم های غیر شبکه ای است .
برای مثال بخش تجهیزات شرکت Brooks کنترل کننده های جریان توده ای (MFCs) , را برای ماشینهای ساخت نیمه هادی تولید می کند.
این تجهیزات دقیقا“ جریان گازها را در یک فرایند , کنترل و تنظیم می کنند.
( رجوع شود به تصویر2) با شبکه کردن MFCs می توان کارایی آنرا گسترش داد.
بطوریکه علاوه بر هفت نوع متغیر کنترلی که در مدل غیر شبکه ای بکار می رفت در مدل شبکه ای صدها متغیر از 39 نوع عمل متفاوت را بکار می برد.
که این عملیات مربوط به کنترل و تنظیم گاز می باشد.
این مجموع اطلاعات , نگرشی را در مورد فرایندی که در دسترس ما نیست فراهم می نماید و این امکان را به ما می دهد که منشا بروز اشکال را پیدا کنیم بطوریکه تولید کننده در یک کارخانه می تواند تعیین کند که مشکل از خود MFCs است یا از جای دیگر.
از نظر تجاری یک سازنده می تواند سنسور خود را با توجه به اطلاعات تخصصی با ارزشی که فراهم می کند به فروش برساند.
تصویر 2 – کنترل کننده جریان توده ای (MFCs) در دو مدل ساخته شده : 1 – مدل آنالوگی که هفت اتصال دارد 2 – مدل شبکه ای که یک اتصال دارد و قادر است متغیرهای زیادی را بکار ببرد و بیش از 100 نوع داده اضافی را ردوبدل کند 2-1-3 چه کسی از شبکه های سنسوری استفاده می کند؟
در شرکتها و تاسیسات بزرگ و کاربردهای پیچیده احتمال استفاده از شبکه زیاد است .
شرکتهای بزرگی مانند General Motors و Chrysler از شبکه های صنعتی Device Net و Profibus برای اتصالات دستگاهای خود بطور وسیع استفاده کردند.
استفاده از Ethernet علاوه بر کاربرد در موسسات اقتصادی , کنترل کننده ها و PLC ها را نیز به یکدیگر اتصال می دهد .
2-1-4 چگونه یک شبکه صنعتی بازارهای جدید ایجاد می کند؟
اگر می توان در یک شبکه یک سنسور را دوباره برنامه ریزی ( تغییر کارائی) کرد همچنین می توان مشتری های آنرا نیز دوباره تعیین کرد و اینکه برای چه کاری استفاده شود.
البته این مشکل وجود دارد که اگر مشتری ها بخواهند یک شبکه مخصوص را برای یک سیستم کنترلی یا اطلاعاتی انتخاب کنند با محدودیت سنسورهای شبکه ای مواجه می شوند .
امروزه تعداد کمی از سنسورها می توانند در شبکه بکار روند.
بنابراین اگر سنسورهای شما قابلیت شبکه شدن دارند در یگ گروه ممتاز قرار دارید.
در این راستا مشتری هائی که فقط روی افزایش قیمت سیستم شبکه ای تمرکز دارند نکته اصلی را گم کرده اند این درباره قیمت نیست بلکه درباره ارزش اطلاعات و کاری است که شما با این اطلاعات می خواهید انجام بدهید.
تعدادی از شبکه های صنعتی عبارتند از : Ethernet , ModbusRTU/ASCII , CAN , Profibus و Field bus که در ادامه مختصرا“ شرح داده می شوند.
(1) 2-1-5 Ethernet امروزه استانداردهای شبکه زیادی وجود دارد .
اگر شما بخواهید سنسور خود را شبکه ا ی کنید کدام یک را تایید می کنید ؟
بدلیل استانداردهای شبکه ای فراوان و همچنین تجهیزات متفاوت برای شروع بهتر است شبکه را از لحاظ شرایط کاری در محیط بررسی کرد .
جدول 1 مجموعه ای از اطلاعات Bus های مختلف ( نوع مسیر ارتباطی اصلی در شبکه ) که می توانند اجرا شوند را نشان می دهد جدول 1 مشخصات شبکه ها در یک نگاه Ethernet Modbus RTU/ASCII Profibus Foundation Fieldbus DeviceNet CANopen J1939 بنیاد Digital Equipment Corp.
, Intel, and Xerox - 1976 Modicon - 1978 German govt.
and automation manufacturers - 1989 ISA - 1998 Allen-Bradley - 1994 CAN in Automation - 1993 SAE 1994 اجرا Produced on chips by many vendors; based on IEEE 802.
3 Produced on any medium, but it is typically found on RS-232, -422, or -485; no special ASICs required Produced on ASICs by multiple vendors;based on RS-485 and the European EN50170 Produced on chips by multiple vendors Produced on chips by many vendors; based on CAN Produced on chips by many vendors; based on CAN Produced on chips by many vendors; based on CAN نوع 10Base-2, 10Base-T, 100Base-T, 100Base-FX, 1 Gb; copper (twisted pair/thin coaxial), and fiber Typically RS-232, RS-422, RS-485 Profibus DP (master/slave), Profibus FMS (multimaster/ peer to peer), and Profibus PA (intrinsically safe) H1 intrinsically safe and High-Speed Ethernet (HSE); based on ISA SP50/ IEC61158 اتصال دهنده ها RJ-45 or coaxial Typically DB9 or terminal block 9-pin D-shell connector (impedance terminated) or 12 mm IP 67 quick disconnect Application dependent Mini 18 mm and micro 12 mm waterproof quick disconnect plugs and receptacles; 5-pin Phoenix terminal block Mini 18 mm and micro 12 mm waterproof quick disconnect plugs and receptacles; 9-pinD-shell Application dependent ماکزیمم تعداد نودها 1024, expandable with routers 250 127 240/ segment; 65,000 possible segments 64 64 30/ segment مسافت 100 m (10Base-T) to 50 km (mono mode, fiber with switches) 350 m for RS-485 100 m (copper, no repeaters, max.
speed) to 24 km (with repeaters and fiber optic transmission) 1900 m for H1 100-500 m 100-500 m 40 m سرعت 10 Mbps to 1 Gbps Can run at any speed, but it is most commonly used between 9600 and 38,400 bps 9600 bps to 12 Mbps H1 31.
25 Kbps and HSE 100 Mbps 125, 250, and 500 Kbps 125, 250, and 500 Kbps 250 Kbps اندازه پیغامe 46-1500 bytes 0-254 bytes Max.
244 bytes/ node / message 128 octets 8 bytes/ node/ message 8 bytes/ node/ message 4-8 bytes/ node/ message نوع پیغام دهی Peer topeer Master/ slave; discrete and analog I/O and parameters Polling (DP/PA) and peer to peer (FMS) Client/ server, publisher/ subscriber, and event notification Polling, strobing, change-of-state, cyclic; explicit messaging for configur-ation and parameter data; UCMM for peer to peer messaging;
