شبکه های صنعتی

مقدمه

یکی از مهمترین عوامل تولید یک محصول به صورت تمام خودکار ،ارتباط سیستمهای خط تولید است که هماهنگی مان آنها و امکان کنترل ،نماسازی و گزارش گیری را فراهم می نماید.

ارتباطات فوق ،خارج از یک محیط صنعتی توسط شبکه های کامپیوتری پیاده سازی می گردند . لیکن در محیط های کارخانه ای بنا به دلایل محیطی حاکم نیاز به شبکه های صنعتی با استاندارهایی ویژه ضروری است . محیطهای صنعتی دارای ویژگیهایی نظیر نویز الکترو مغناطیسی بالا ،گردو غبار ،گرما یا سرمای شدید رطوبت زیاد ،دود پراکنده در محیط و……. است که بر روی کارکرد سیستمهای الکتریکی و مکانیکی اختلال ایجاد می نماید .

بدیهی است که با توجه به این موضوع کیفیت و نوع استانداردها نیز تغییر می کند و نتیجه این تغییرات ،شبکه های صنعتی یا در اصطلاح فیلدباس را بوجود می آورند

معرفی مفهوم پروتکل و لای های هفتگانه استاندارد شبکه :

پرو تکل:

مجموعه ای از قوانین که منجر به گذر اطلاعات مفید بین دو یا چند سیستم می شود را پروتگل می گویند.

در سال 1983 میلادی سازمان استاندارد جهانی 0(     ISO) اقدام به تعریف لایه های شبکه ها نمود و آنرا تحت عنوان لایه OSI یا OPEN SYSTEM  INTERCONNECT  معرفی کرد .

این هقت لایه به صورت مقابل عبارتند از 1- لایه کاربردی  2- لایه نمایش 3-لایه جلسه 4- لایه انتقال

5- لایه شبکه 6- لایه پیوند داده 7- لایه فیزیکی.

انچه در OSI تعریف می شود فقط خواص یک گره (یا گره ها ) از شبکه است و نحوه ارتباط و پروتگل اجرایی در میان گره ها توضیح داده نمی شود . استانداردهایی که برای شبکه ها تعریف می شوند در چار چوب OSI به معرفی لایه های شبکه و تعایف ویژه هر کدام می پردازند.

از معروفترین استانداردهای شبکه که توسط IEEE معرفی شده است می توان به

802.6 -802.5-802.4-802.3-802.2-802.1  اشاره نمود

1)لایه فیزیکی :دسترسی الکتریکی به بیت ها و ارتباط در شبکه ،همچنین تعریف مشخصات مورد نیاز جهت انقال داده نظیر ولتاژ ،جریان ،متصل کننده و واسط انتقال در این لایه صورت می گیرد.

2) لایه پیوند دهنده :تحویل داده ها در لایه فیزیکی شبکه به صورت قابل اعتماد و همچنین خطا یابی ،قاب سازی و کنترل آنها در این لایه صورت می گیرد.

3) لایه شبکه :این لایه مسئول مسیر یابی بسته ها در شبکه است.همچنین دسترس به آدرسها ی دلخواه و تحویل آنها در این لایه صورت می گیرد مثالی مناسب برای این لایه پروتگلاینترنت (IP ) است

4) لایه انقال: مسئول انتقال قابل اعتماد داده هاو سرویسهای مشخص بین این گره ها است . وظیفه دیگر این لایه تضمین صحت و بی نقص بودن داده های ارسالی از نظر به موقع رسیدن اطمینان و اعتماد است . دو مثال مناسب برای این لایه TCP وUDP است .

5)لایه جلسه:کار هم رتبه سازی صحبت و ارتیاط داخلی شبکه بین دستگاه ها را انجام می دهد . برای مثال مدیریت علامت ها ی انتقالی و همزمانی از وظایف این لایه است .

6)لایه نمایش : عملکرد اولیه آن ،بررسی سلختار دستوری و معنایی انتقال داده است .همچنین تبدیل قلبهای ASCII وEBCDICواستانداردهای قالب جهت ارسال در شبکه توسط این لایه صورت می گیرد .

7)لایه کاربردی :این لایه نرم افزاری مانند FTB  DNS   TELNET    SMTPاست که کاربر از آن برای دسترسی به امکانات شبکه و اعمال دستورات استفاده می کند .

واسط انتقال :

منظور از واسط انتقال ،نوعی اتصال فیزیکی میان ایستگاه های شبکه است که به واسط آن پیغامها میان دو یا چند ایستگاه رد و بدل می شوند معروفترین واسطه های انتقال در شبکه ها کابل کواکیسال ، زوج سیم به هم تابیده و فیبر نوری می باشد .

الف)کابل کو اکبیسال :این خط انتقال از یک هادی استوانه ای پر شده از دی الکتریک و یک هادی مرکزی تشکیل شده است .نویزپذیری کابل کواکیسل در مقایسه با انواع مسی (نظیر زوج سیم به هم تابیده) کمتر است زیرا روکش مناسب تری برای آن استفاده می شود .بنابراین جهت انتقال در فواصل نسبتاً طولانی نیز استفاده می شود این کابلها علاوه بر استفاده عمومی در انتقال دیجیتال شبکه های محلی که آنر BASE  BANDگوینددر ارسال داده ها انالوگ آنتن تلویزیون نیز به کار گرفته می شوند این نوع انتقال را اصطلاحاً BROAD  BANDنامند

ب)زوج سیم به هم تابیده :همچنان که از نام آن پیداست ، از به هم تابیدن دو هسته مسی عایق دار تشکیل شده و در دو نوع روکش دار(STP) و بدن روکش(UTP) تولید می شود نوع روکش دار بر روی سیمهای تابیده یک عایق مخصوص پیچیده می شود که در نوع بدون روکش تنها به یک روکش از جنس PVCاکتفا شده است .

ج) فیبر نوری: انتقال در خطوط فیبر نوری به روش تابش امواج نوری میان آیینه های موجود در فیبر صورت می گیرد .تلفات اری در این خطوط بسیار کم است و بدون استفاده از تکرا کننده امکان انتقال تا مسافت طولانی (حدود 10 کیلومتر )وجود داردنویز الکترو مغناطیسی به این خط بی اثر است ولی در عین حال آسیب پذیری آن بالاتر و احتیاج به محافظت فیزیکی دارد .طراحی و پیاده سازی شبکه ها با استفاده از این خطوط به نسبت گرانتر و پیچیده تر از سایر واسطه های انتقال است . به دلیل عدم بوز خطا بر اثر تداخل امواج الکترو مغناطیسی ،پروتکلهای لایه پیوند در این نوع شبکه ها می تواند بسیار ساده باشد .همچنین امکان شنود در آن دشوار است و به همین دلیل کاربرد نظامی دارد

عوامل موثر در انخاب واسط انتقال :

الف)میزان تویز پذیری خط انتقال .

ب) تلفات خط (تلفات AC ناشی از اثر پوسته ای و تلفات دی الکتریک و همچنین تلفات DC ناشی از هدایت خط و نیز ناشی از نشتی جریان و ولتاژخط به دلیل وجود خازن و سلف توزیع یافته در طول خط را گویند)

ج)هزینه ساخت و نگهداری خط انتقال.

د)سادگی خط         

ه)پهنای باند خط انتقال یا سرعت انتقال داده .

و)پشتیبانی از پیشرفت فناوری.

توپولوژی های معروف شبکه :

منظور از توپو لوژی یک شبکه ،طریقه ی اتصال و مدل هندسی چینش ایستگاه های شبکه است .

ساده ترین نوع ارتباط میان دو گره ، اتصال نقطه به نقطه است . در این نوع توپو لوژی تنها دو گره می توانند توسط انتقال ، به طور مستقیم به یکدیگر متصل شوند.

چنانچه کلیه ایستگاه ها به یک کابل مرکزی متصل باشند ، توپولوژی شبکه خطی نام دارد که معمولاًدر شبکه های محلی دفاتر کار و محیط های کوچک مورد استفاده قرار می کیرد .

تو پولوژی ستاره در معروفترین استاندارد شبکه ها ی کامپوتر (اترنت) استفاده می شود . در مرکز این توپولوژی از یک دستگاه میانگاه (HUB )جهت تکرار یک پیام در همه انشعاب ها استفاده می شود گاهی اوقات در یک شبکه یکی از سیستمهای کنترلی نظیر دستگاه کنترل کننده قابل برنامه ریزی منطقی نقش میانگاه را ایفا می کند .

از دیگر ساختارهای معروف شبکه ها نوع درختی است هر ایستگاه مانند یک برگ به شاخه و درنهایت دو یا چند شاخه به یکدیگر متصل میشوند .

گاهی اوقات گره ها به صورت زنجیره ای به یکدیگر متصل می شوند و ساختاری ویژه را به وجود می آورند برای مثال گاهی در شبکه ها ی صنعتی که پروتکل لایه فیزیکی آن RS-485 باشد از این ساختار برای اتصال ایستگاه های کاری استفاده می شود

توپولوژی های معروف دیگر در شبکه ها انواع حلقوی ، سلسله مراتبی حلقوی ، سلسله مراتبی ستاره ای و نوع ترکیبی است که هر یک مناسب استفاده در مکانی خاص و استاندارد ی ویژه است و دارای مزایا و معایب مختلفی می باشد . برای مثال چناچه توپولوژی یک شبکه نوع خطی باشد  .درصورت قطع شدن نقطه ای از واسط انتقال ، ارتباط کلیه ایستگاها ی کاری قطع می شود که در صورت استفاده از مدل ستاره ای این اتفاق نخواهد افتاد .

در هنگام پیاده سازی یک شبکه ،گاه  نیاز به چندین اتصال می باشد که در آن تعداد چهار ساختار درختی ، زنجیره ای ،خطی و نقطه به نقطه به صورت ستاره ای به یکدیگر متصل شده باشد .

شبکه های صنعتی :

تفاوت شبکه های کامپیوتری و صنعتی

در شبکه های کامپیوتری سرعت انتقال داده قابل پیش بینی بودن مدت زمان سرویس دهی ایستگاه و اعتماد پذیری از عواملی است که اهمیت کمتری نسبت به شبکه های صنعتی دارد . 

از آنجا که شبکه های صنعتی در محیطهای حساس به زمان به کار گرفته می شوند لازم است فرمانها با دقت بسیار بالا (گاهی حدود چند میکرو ثانیه )در شبکه ارسال و قطعیت در یافت آن توسط ایستگاه مورد نظر در استاندارد لحاظ شده باشد .

شبکه های ارتباط صنعتی معمولاً در لایه کاربردی پیچیدگی کمتری دارند و برخی از تجهیزات شبکه های کامپیوتری نظیر دستگاه مسیر یاب یا دروازه در آن نقشی ندارند و لیکن احتیاج مبرم به قابلیت اعتماد و اجرای سریع و قابل پیش بینی داند . زیرا ارتباطات محیطهای صنعتی معمولاً نویز پذیری خشن تر وبا شانس بیشتری درتصادف داده ها انجام می شود .

از تفاوتها ی دیگری که شیکه های کامپیوتری و صنعتی دارند این است که هفت لایه ISO بای شبکه های کامپیوتری به سه لایه فیزیکی پیوند داده و کاربردی در شبکه های صنعتی تقلیل می یابد در حقیقت کلیه تعاریف استاندارد در این سه لایه گنجانده می شود

 مزایا و معایب استفاده از گذر گاه  :

در بسیاری از پرو ژه ها به جای استفاده از گذرگاه میان تمامی سنسورها ،محرکها و سیتمهای کنترل کننده از روشهای سیم کشی معمولی استفاده می شود که فواید زیر را در پی دارد:

الف) دانش فنی جهت نصب این سیستمها در حد کاردانی است .

ب) هزینه نصب ابنگونه سیستمها  به ظاهر کمتر است

ج) نیاز به رعایت استاندارد خاصی توسط شرکتهای سازنده برای ارتباط میان المانها ی سیستم نمی باشد .برای مثال سنسورهای کمپانیهای مختلف به راحتی دریک سیستم کنترل نصب و استفاده می شوند . در مقابل نصب گذرگاه ها مزایای بیشتری دارند که باعث رونق اینگونه ارتباطات صنعت شده است :

الف)قابلیت انعطاف پذیری بیشتر جهت افزودن یا حذف ایستگاه های شبکه .

ب)کاهش مدت زمان سیم کشی و هزینه های آن .

ج)گستردگی دامنه اجرای نرم افزارها (استفاده از قابلیت های شبکه نظیر استفاده اشتراکی از منابع )

د) نصب آسان (استفاده از اتصال گربه به جای ترمینال و جعبه  اتصالات )

ه-)ابزار اشکال زدایی و رفع عیب فراوان ودر دسترس است .

و) کاهش هزینه های عمومی سیم کشی نظیر نقشه برداری و ریل گذاری حجیم برای محافظت فیزکی سیمها .

ز)نویز پذیری کمتر .

ک)کشف و رفع خطاهای مربوط به نویزهای الکترو مغناطیسی به صورت خودکار .

ل)نقشه سیم کشی ساده تر .

در روش سیم کشی اتصالات در ترمینال ها نصب می گردند و لیکن در استفاده از گذر گاه ها اتصال گرهای استاندارد استفاده می شوند .

شرح استاندارهای معروف لایه فیزیکی شبکه ها ی صنعتی :

RS-232 معمولیترین و همگانی ترین استاندارد لایه فیزیکی RS232 میباشد که سیر تکاملی آن از RS-232-C تاRS232F است حداکثر سرعت انتقال داده ها به علت دامنه و ولتاژ زیاد نسبت به پروتکل های دیگر کمتر است (حدود 115 کیلو بیت بر ثانیه) حد اکثر فاصله دو ایستگاه 16 متر است و دو نوع سم بندی در آن استاندارد شده است (9 و 25 ) ماوس و مودم کامپیوتر های شخصی معمولاًاز این درگاه استفاد میکنند.

RS-449 این استاندارد جایگزین RS-232 در سرعتهای بالاتر از 20 کیلو بایت بر ثانیه شده است دو نوع اتصال 9و 37 برای آن معرفی شده است .

RS-530  توسعه یافته RS -232   RS-449  است و برای سرعتهای بالاتر از 20 کیلو بایت بر ثانیه مناسب است . این استاندارد از خطوط با لانس  و برای اتصال از DB-25 استفاده می نماید به هر دو صورت سنگرون و آسنگرون قابل استفاه است و می تواند در دو حالت دو سویه و یک سویه کار کند .فاصله دو ایستگاه طبق این استاندارد حداکثر 60 متر است.

RS-423 :این استاندارد درحقیقت توسعه یافته RS-232 است . تغییرات اسای آن افزایش تعداد

 ایستگاه ها ی گیرنده ،مسافت ارسال و سرعت می باشد . این پرو تکل یک فرستنده را به جای گیرنده (تا 10 کیلو متر )متصل می کند و حداکثر فاصله انتقال داده ها بای آن 1200 است .  یکی از عوامل محدود کننده سرعت SLEW  RATE است بدین معنا که دامنه ولتاژ RS-232بالاست و به همین علت دست یافتن به سرعت بالا باتوجه به خازن خط و پیچیدگی مدار مشکل است برای افزایش سرعت لازم است دامنه سطوح ولتاژ کاهش یابد در همین راستا ولتاژ منطقی” 1″ در RS-423  برابر3.6-تا6- ولت است و ولتاژ “0” منطقی 3.6 تا6 ولت است به دنبال این تغییر سرعت انتقال  داده در RS423 چهار برابر RS-232 است.

RS-422 :شباهت زیادی به RS-232 دارد ولی تا 16 گیرنده را پشتیبانی می کند . این پروتکل که از خطوط بالانس برای انتقال داده استفاده می کند اثر نویز پذیری را به شدت کاهش داده است در ورودی گیرنده ها از تقویت کننده دیفر انسیل استفاده شده است لذا به نسبت حذف هر مشترک از بین می رود حداکثر سرعت این پو تکل در 3 متر فاصله برابر 10 مگابیت بر ثانیه است که حداکثر فاصله می تواند 1200 متر باشد که به تناسب سرعت کاهش می یابد .گیرنده و فرستنده به صورت ولتاژی کار می کند که این نوع رفتار باعث نویز پذیری بیشتر نسبت به جریانی است.

RS-485 :بیشتر از 32فرستنده و گیرنده را پشتیبانی می کند . در این استاندارد می توان بیش از یک گره را به عنوان رئیس معرفی نمود زیرا مدارات سه وضیعتی هستند و با کمکیک مدار جانبی حالتهای مختلف یک خط راکترل می کنند و به این روش گره ها هم قابلیت در یافت وهم ارسال را خواهند داشت .

در این پرو تکل انتقال داده ها به صورت می گیرد و بیشترین اعو جاج را در ورودی می پذیرد . اثر نویز در انتقال جریانی کمتر از ولتاژی است زیرا میزان انرژی که بتواند جریانی را تولید کند و بر سیکنال جریانی اثر بگذارد از معادل ولتاژی بیشتر است .

بیشترین مسافت برای ارسال داده 1200 متر است و رعایت حداقل طول (30 سانتیمتر ) برای سیم رابط اتصال کارت شبکه به گذرگاه الزامیست .  استفاده فراگیر از RS-485 باعث ساخت کارت های کامپیوتری و انواع مبدل برای این پروتکل شده است.

گذر گا هها:

گذر گاه HI :این استاندارد در IEC  1158 -2 تعریف شده است و باسرعت 31و 25 برای شبکه سازی سطوح بسیار پایین اتوماسیون صنعتی یعنی سنسور –محرک استفاده می شود . سیم کشی به صورت زوج سیم به هم تابیده به طول 1900 متر و همچنین 32 دستگاه متصل که از همان دو سیم تغذیه  می شوند پیاده سازی می شود در صورتی که حفاظت و اطمینان واقعی مورد نیاز باشد استاندارد ،استفاده از 4 دستگاه متصل به شبکه را مجاز می داند امروزه این پروتکل در میان استانداردهای گذر گاه صنعتی جایگاهی ویژه پیدا کرده است.

گذرگاه H2: گذر گاهی با سرعت بالا (حدود 100 مگابایت بر ثانیه ) است که برای ایجاد شبکه در لایه های میانی شبکه های صنعتی نظیر لایه سلول مناسب است .

HART :یک پروتکل ارتیاطی است که به صورت چشم گیری در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است .HART                           (HIGHWAY )           REMOTE     ADDRESSABLE

   TRANSDUCER  از یک فرکانس سطح پایین سینوسی برای انتقال داده دیجیتال به مقصد استفاده می کند . این فرکانس ها برای صفر و یک 1200و 2200 هرتز است که سرعت انتقال داده در آن به 1200 بیت بر ثانیه محدود می شود که ضعف عمده این پروتکل ارتباطی است . مزایای این پروتکل عملکرد چند انشعابی انتقال روی دو رشته سیم کارکرد مناسب در محیط های پر نویز و قابلیت برقراری ارتباط بین تجهیزات تولید کنندگان مختلف می باشد .

سطح بندی پنجگانه شبکه های صنعتی 

طبقه بندی شبکه های صنعتی به ترتیب از بالاترین سطح به پایین عبارتند از : خبر ، ناحیه ،سلول ، میدان و سنسور محرک .

1)سطح خبر:در سطح خبر جمع آوری اطالعات کلان مدیرتی ،پیاده سازی برنامه های کوتاه و بلند مدت سیستم های اتو ماسیون، نگهداری و بررسی آماری کیفیت، جزو وظایف معمول می باشد. این لایه معمولاً در دفاتر کاری کارخانه و توسط پروتکلTCP/IPو گاهی توسط اینترنت پیاده سازی می گردد. همانطور که می دانید فرایندهای حساس به زمان قابلیت اجرا در این لایه و استراتژی های کلی تعیین شده برای این لایه می باشد.

2)سطح ناحیه: سطح ناحیه معمولاً در محیط داخلی کارخانه پیاده سازی می گردد. این لایه وظیفه اجرای استراتژی های مهم کنترلی را بر عهده دارد. برای مثال تعیین اهداف تولید و میزان اهمیت پارامترهای تولیدی، روشن یا خاموش کردن ماشین ها و فعالیت های اضطراری از دیگر وظایف این لایه در شبکه های صنعتی است.

3) سطح سلول: لایه بعدی سطح سلول می باشد. واضح است که هر قدر از سطوح فوقانی پایین تر می آییم، امکان پیاده سازی فرآیندهای حساس به زمان بیشتر می گردد. ولیکن داهنه فعالیت تنگ تر می شود .گاه این لایه را توسط یک اینترنت پیاده سازی می کنند که اغلب اتاق فرمان را به کنترل کننده های محلی متصل مینماید. فیبر نوری در این لایه می تواند واسط بسیار مناسبی باشد.

4)سطح میدان: میان دستگاه های کنترلی و نماسازی ارتباط هایی کاملاً صنعتی برقرار می شود که استاندارد های فیلد باس در لایه میدان برای آنها پیاده سازی می گردد. سرعت انتقال داده ها به نسبت ، بالاست ولیکن پیچیدگی ساختارهای داده ها کمتر است.

5)سطح سنسور –محرک :در حقیقت فرمان های ارسالی از کنترل کننده های طبقات فوقانی را توسط گذر گاه ها دریافت کرده ، در خروجی اعمال می کند و همچنین ورودی خوانده شده خود را جهت تصمیم گیری به لایه میدان منتقل می نماید. برخی از نمونه های بکار گرفته شده در این لایه عبارتند از : موتورهای AC/DC ، سنسورها، شیرهای برقی ، سوئیچ و لامپ های اعلام خطر و رله ها.

در بالاترین سطح از اینترنت برای ارتباط دهی استفاده شده است که این روش روز به روز متداولتر می گردد. در لایه پایین تراترنت (با پروتکل (TCP/IP واسطی میان اینترنت و طبقه پایین تر شبکه شده است.

PROFIBUS استانداردی است که برای اتصال کنترل کننده های قابل برنامه ریزی و کامپیوترهای صنعتی به طبقه فوقانی استفاده شده است و در نهایت ASI استانداردی دیگر در سطح سنسور – محرک است.

متخصصین شبکه های صنعتی طبقه بندی فوق را گاه در سه لایه ادغام می نماید. لایه اول (بالاترین لایه) را برخی مواقع همه منظوره و بعضی اوقات سطح کنترلی می نامند. لایه میانی معمولاً تحت عنوان گذر گاه میدان و لایه سوم ( پایین ترین لایه ) با عناوین گذرگاه دستگاه یا المان معرفی می شود.

انواع شبکه های صنعتی از نقطه نظر استراژدی کنترل:

حین فرایند کنترل در یک شبکه صنعتی سه دیدگاه کنترلی در نظر گرفته می شود:در کنترل مستقیم دیجیتالی ورودی – خروجی های سیستم توسط رشته سیم ها به مرکز انتقال می یابد و در آنجا عملیات محاسباتی و تصمیم گیری صورت می گیرد و فرمان صادر شده توسط مرکز کنترل و به وسیله همین رشته سیم ها به خروجی ها منتقل می گردد روش فوق امروز ه در بسیاری از اتو ماسیون ها کاربرد نداردبرخی از دلایل نا کارآمدی سیتم کنترل دیجیتال مستقیم عبارت است از :

الف) هزینه نگهداری بالا .

ب) نویز پذیری زیاد روی سیم های ارتباطی

ج)عئم توانایی پردازش محلی سنسورها و محرکها .

د)هزینه زیاد سیکشی و کانال گذاری .

ه)عدم کارایی از فواصل طولانی .

و)عدم توان پردا زش به صورت توزیع یافته .

ز)دشواری کشف خطاهای سیستم توسط تکنسین ها (بدلیل نبود دستگاه های کشف خطا )

ک)توسعه دشواری وردی _خروجی ها (نیاز به سیم کشی مجدد،خالی یودن جعبه اتصالات ،ترمینال های مسیر و …)

سیستم کنترلی توریع یافته یا DCS :

در این سیستم کنترل کننده های محلی ،واسطی بین ورودی –خروجی ها و کنترل کننده مرکزی شده است . فرمان های کنترل کننده مرکزی به کنترل کننده های محلی ارسال می گردد و دیگر فرایند های کنترلی توسط این فرماند هان صورت می گیرد . گذشته از توزیع یافته شدن سیستم ها در نوع DCS همواره یک رئیس در شبکه تصمیمات نهایی را می گیرد و شبکه تحت نظارت اوست ،که با ایجاد فیلد باس و

استانداردهای آن سیستم های کنترلی به صورت کاملاً توزیع یافته اداره می شوند .

فیلد باس (FIELD  BUS)

در این گونه   شبکه ها کنترل و تصمیم گیری توسط تمامی ایستگاه ها صورت می گیرد و ارسال و دریافت پیامها به وسیله همه ایستگاه ها ممکن است . چنانچه از کامپیوترهای شخصی در اینگونه سیستمها استفاده شود عموماً به منظور نماسازی وضیعت ایستگاه های شبکه است و کمتر به عنوان سیستم تصمیم گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد البته لازم به ذکر است برخی از استاندارها ی فیلد باس از روش رئیس –مر ئوس بهره می برند و کامپیوتر متصل به شبکه فیلد باس به عنوان رئیس استفاده می شود .

اعتقاد به این که همواره استفاده از روش کنترلی فیلد باس بهتر از کنترل توزیع یافته است و یا اینکه سیتم کنترلی دیجیتال مستقیم به کلی منسوخ شده ،نادرست است و تمامی این موارد به شرایط محیطی و سیستم کنترل باز می گردد.

  تعریف فیلد باس FIELD   BUS  :

فیلد باس یک گذرگاه دیجیتال کامل دو سویه و چند انشعابی با پروتکل مشخص و از پیش تعیین شده است که برای ارتباط کنترلی توزیع یافته میان ابزارها و دستگاها ی سطح میدان به وجود آمده است .

یکسان بودن پروتکل در شبکه های فیلد باس باعث می شود تا محصولات شرکتها ی مختلف در شبکه به یک دیگر متصل شوند و کار کنند.

مزایا ی استفاده از فیلد باس :

برخی از فواید فیلد باس عبارتند از :1)اضافه کردن تعداد ورودی –خروجی سادهاست

2) نیاز به کنترل کننده مرکزی ندارد .

3) جعبه تقسیمات و اتصالات اضافی حذف می گردند

4) در صورتی که ورودی –خروجی های سیتم کاملاً توزیع یافت باشد هزینه ها به شدت کاهش می یابد .

5)بدلیل کاهش سیم کشی تعمیر و نگهداری شبکه آسان می شود .

6)به دلیل استفاده از روشهای کشف و رفع خطا آثار نویز الکتریکی بسیار نا محسوس است

7) امکان استفاده اشتراکی منابع توسط تمامی ایستگاه ها وجود دارد .

8)فواصل طولانی میان ایستگاه ها ی کاری را پشتی بانی می کند و

9) تشخیص خطا و خرابی شبکه می تواند توسط دستگاه های عیب یابی انجام شود .

پردازش محلی امروزه از رایج ترین امور در کنترل صنعتی است این نوع کنترل سیم کشی و در نتیجه هزینه را کاهش می دهد . دیگر اینکه اطمینان از انجام فرایندها ی به شدت حساس به زمان می تواند به این شکل انجام گیرد و اطمینان این روش گاه بالاتر از انواع استراتژیهای دیگر کنتل است .تشخیص خطا در شبکه های صنعتی هنگامی که گسیختگی در یک نقطه از گذرگاه به وجود می آید و یا یک اتصال در مسیر انتقال به وجود می آید و یا یک اتصالی در مسیر انتقال میان زمین و یکی از رشته سیمها صورت گیرد ، دستگاه های تشخیص خطا به نگه دارنده سیتم کنترلی کمک می کند تا مشکل را سریعتر پیدا و رفع کند .

علاوه بر این ،نرم افزارهایی جهت نماسازی انتقال داده در شبکه تولید سده است که کمکی فراوان به نگهدارندگان خطوط تولید و مسئو لین پشتیبانی شبکه می نماید

از ذیگر فواید استفاده فیلد باس در ارتباطات صنعتی تشخیص ایرادهای انتقال داده در نرم افزار است که توسط تجهیزات فیلد باس بهصورت خود کار کشف و رفع می گردد. این ویژگی هنگام برخورد بسته های داده و تاثیر امواج الکترو مغناطیسی بر روی داده های ارسالی نمود پیدا می کند.

این امر همچنین باعث بالا رفتن اطمینان از صحت داده ها ی دریافتی نیز می گردد . ادعا می شود سرعت تنظیم نرم افزار یک ایستگاه فیلد باس برابر با سرعت نصب سخت افزار ایستگاه در شبکه است . نصب این دستگاه فیلد باس به دلیل وجود اتصال گرها ی استاندارد و نرم افزارهای تنظیم خودکار به صورت ” بزن و برو ” انجام می شود که سرعت نصب آن با افزودن یک کارت اضافی به کامپیوتر های شخصی برابری می کند و این از محاسن بزرگ توسعه شبکه های فیلد باس است .

استفاده از فیلد باس المان ها ی واسط را حذف می کند . برای مثال جعبه اتصالات و ترمینالها از عوامل هزینه سازو گاه باز دارنده توسعه هستند که در فیلد باس کاربردی ندارند .

به عنوان آخرین مزیت استفاده از فیلدباس می توان به دسترسی کلیه داده ها ی خط بدون هزینه اضافی اشاره کرد . روشن است که اطلاعات تمامی ایستگاه ها برای دیگر گره های شبکه ارسال شده و در صورت لزوم می تواند مورد استفاده ایستگاه های دیگر قرار گیرد .

معرفی برخی از استاندارهای معروف فیلد باس :

استانداردهایی که مورد بررسی قرار خواهند گرفت عبارتند از :

1)BITBUS  2)INTERBUS  3)CAN  4)SERCIS  5)CONTROL  NET 6)ASI 7)FOUNDATION  8) PNEH 10)PROFIBUS  11)FIP 

1)BIHBUS :

ارتباطات BITBUS استانداردIEEE-1118 در لایه فیزیکی RS-485 و یا فیبر نوری است . نوع استراتژی ارتباطی رئیس – مرئوس است و هر پیغامی می تواند تا 248 بایت داده را منتقل نماید.

توپولوژی پذیرفته شده ، نوع خطی است که از دو طرف بسته شده است . در لایه فیزیکی، زوج سیم به هم تابیده با مشخصه امپدانسی 120 اهم برای انتقال خطوط داده استفاده می شود. از نظر مشخصات الکتریکی، انتقال به صورت دیفرانسیلی 0و5 ولت صورت می گیرد. برای کشف خطا از الگوریتم CRC نوع 16 بیتی استفاده می گردد. سرعت انتقال داده 62،5 ، 375 کیلو یا 1،5 مگا بیت بر ثانیه است و تعداد 28 ایستگاه در هر قطعه قرار می گیرد که حداکثر 250 ایستگاه را به هم متصل می کند. در شبکه های BITBUS در صورتی که بیش از 62،5 نخواهد شد و حد اکثر فاصله در این حالت 1200 متر است. حال اگر فاصله به 300 متر کاهش یابد می توان از 375 استفاده کرد.

• ) INTERBUSساختار پروتکل از نظر توپو لوژی به صورت حلقوی است که در آن تنظیم آدرس برای ایستگاه های کاری به صورت خودکار صورت می گیرد و نیازی به تنظیم دستی ندارد.

فاصله بین دو دستگاه حداکثر 400 متر و طول گذرگاه به 13 کیلو متر می رسد. واسط انتقال لایه فیزیکی در این استاندارد زوج سیم به هم تابیده  و یا فیبر نوری است.

همچنین طبق استاندارد ، تا 4096 ورودی – خروجی می تواند به صورت حلقه و مورد استفاده قرار گیرد.

زمان چرخش میان ایستگاه و خواندن تمامی ورودی – خروجی ها در INTERBUS کمتر از 16

میلی ثانیه است، که این سرعت برای ایجاد و کنترل شبکه حساس به زمان مناسب است.

بررسی خطا به روش CRC پیاده سازی شده و باعث انتقال مطمئن داده ها در شبکه می گردد. نحوه انتقال داده ها به صورت دو سویه همزمان است که باعث به روز در آمدن تمامی ورودی – خروجی ها به طور همزمان می شود.

به دلیل اینکه همه داده ها به طور پیوسته بدون هیچ وقفه ای صادر می گردد ، نیاز به روش های حکمیت گذرگاه نمی باشد.

این استاندارد همچنین محل خطا و ایجاد مشکل در شبکه را حدس می زند که باعث کم شدن زمان توقف خط تولید و در نتیجه کاهش هزینه ها می شود. از آنجا که نگهداری و تعمیر این شبکه ها کم هزینه است ، اطمینان پذیری سیستم از نظر مصرف کننده بالاست.

پروتکل فوق بسیار انعطاف پذیر می باشد و پیام رسانی مشتری – خدمتگذار را به خوبی پشتیبانی می کند.

تعداد 4096 ورودی – خروجی را از طریق 512 ایستگاه کاری تحت کنترل می گیرد.

نکته ای مهم در باره انتقال در فاصله طولانی INTERBUS اینست که هر ایستگاه پس از در یافت داده روی شبکه آنرا تقویت کرده و منتقل می نماید و این امر باعث ارسال در فواصل طولانی شده است.

این پروتکل نیازی به استفاده از مقاومت های پایانه در انتهای خطوط ندارد و به منظور استفاده در شبکه سازی لایه میدان بسیار مناسب است.

3)CAN : در سال 1992 کارخانه بنز جهت ارتباطات الکتریکی داخلی خودرو هایش از CAN استفاده نمود. این امر حدود یکصد کیلو گرم وزن ماشین را کاهش داد و به شدت مورد استقبال دیگر شرکت های سازنده خودرو قرار گرفت. امروزه استفاده از CAN در اکثر خودرو های اروپایی نظیر پژو 206 رواج پیدا کرده است. ساختار این پروتکل چند رئیسه با دسترسی چند گانه است.

ماهیت انحصاری CAN رویدادی است . در واقع هیچ ایستگاه کاری اولویتی نسبت به دیگری ندارد ولیکن پیغام ها اولویت بندی شده هستند.

در هنگام ارسال ،حکمیت خط در اختیار ایستگاهی است که اولویت پیغام او بالاتر است. این امر بدان معناست که پیغام ها طبق اولویت بر روی شبکه منتقل می گردند. و توسط تمامی ایستگاه ها در یافت می شوند. لیکن آن ایستگاه هایی که پیغام به کارشان بیاید آنرا جذب و استفاده می کنند. بنا براین با یکبار ارسال داده می توان پیغام به تمامی ایستگاه های مورد نظر اعلام نمود. با استفاده از این الگوریتم ترافیک شبکه به طور چشمگیری کاهش می یابد.

سرعت انتقال داده در این شبکه اگر مسافت کمتر از 40 متر باشد 1 مگا بیت بر ثانیه و در صورتی که کوتاهتر از 1 کیلومتر باشد 50 کیلو بیت بر ثانیه خواهد بود.

لایه فیزیکی RS-485 با زوج سیم به هم تابیده و ترجیحاً روکش دار تعریف شده است . استاندارد ISO11898 لایه فیزیکی برای CAN را تعریف می نماید. یکی از ایرادهای CAN مشکل روز افزون تکرار کننده به آن است. انتقال داده در CAN دارای امنیت بالایی است و تراشه های کنترل کننده شبکه CAN در انواع گوناگون ، توسط شرکت های اینتل ، فیلیپس و دیگر سازندگان تولید شده است.

4)SERCOS  :

این پرو تکل را برای اولین بار موسسه ای آلمانی به منطور کاهش سیم کشی مو تورهای الکتریکی ایجاد نمود . کاربرد این استاندارد در پایین ترین لایه شبکه های صضنعتی (سنسور –محرک ) است ساختار تو پو لوژیکی شبکه حلقوی است و گره ها توسط فیبر نوری به یکدیگر اتصال دارند بنابر این سرعت انتقال داده ها بالا است نوع ارتباط ایستگاه به صورت رئیس – مر ئوس است و تعداد 254 ایستگاه کاری در یک شبکه فیلد باس با استاندارد SERCOS  قرار می گیرند .

فاصله ایستگاه ها برای فیبر نوری ترکیبی تا 60 متر و برای فیبر شیشه ای تا 250 متر است . سرعت انتقال داده 2تا 4 مگا بیت بر ثانیه می باشد و برای این استاندارد دسترسی به گذر گاه به گو نه ای مناسب تعریف شده است .

5)CONTROL  NET :

این استاندارد کارا جهت  شبکه سازی در بایه میدان بسیار مناسب است و می تواند مدیریت ورودی –خروجیها را در سیستمهای به شدت حساس به زمان انجام دهد .

تو پو لوژی گذر گاه  در این استاندارد می تواند درختی ، ستاره ، خطی و یا تر کیبی باشد سرعت انتقال داده تا 5 مگابیت بر ثانیه است که تا مسافت 1000 متر برای دو ایستگاه و فاصله حداکثر 250 متر برای 48 ابستگاه پشتیبانی می کند تعداد تکرار کننده های مجاز 5 عدد می باشد و حداکثر طول با استفاده از ترکرار کننده در سرعت 5 مگا بیت بر ثانیه برابر 5000 متر برای کواکسیال و 30 متر برای فیبر نوری است که می تواند 99ایستگاه را پوشش دهد .

6)ASI :

در اروپا ایستاندارد EN 50295و        IES به شماره 62026-2 پروتکل ASI را پوشش می دهد .

توپو لوژی قابل پیاده سازی بای ASI که در حقیقت جهت کار در لایه سنسور – محرک طراحی شده است ستاره ،  درختی و یا خطی است با وجود آنکه در ASI کابل کشی و سرعت خیلی بالا نیست ولی طول قاب داده کوتاه ،حکمیت گذرکاه آسان و در نتیجه قدرت و باز دهی شبکه در لایه سازه و یا سنسور – محرک بسیار خوب است .

امروزه کلیدهای معمولی و قطع اضطراری ،صفحه ایجاد ارتباط با کاربر ،خروجی های مختلف و کارت های واسط ASI بسیار فراگیر شده است . واسط انتقال فیزیکی کابل دو رشته بدون روکش می باشد که برای انتقال داده ها و انرژی (24ولت نوع DC به طور متعارف تا 8 آمپر برای گذر گاه ) به کار گرفته می شود .

حداکثر طول 100 متر و تعداد ایستگاه ها 31 عدد می باشد تعداد 4 سنسور 4 محرک در هر ایستگاه قابل اتصال است . سرکشی گره ها به صورت چرخشی و زمان چرخشی شبکه 5 میلی بین ایستگاه ها تضمین شده است ،در نتیجه نرخ انتقال داده حدود 167 کیلو بیت بر ثانیه است که این یک ضعف برای ASI محسوب می شود .

در شبکه های  ASI  هر ایستگاه یک آدرس دارد که توسط رئیس شبکه یا ابزار برنامه نویسی آدرس دهی می شود .

7)FOUNDATION  FIELDBUS :

فیلد باس یک سیستم ارتباطی دو طرفه دیجیتال سریال است که برای اتصال سنسور محرک و کنترل کننده  استفاده می شود .همچنین یک شبکه محلی برای تجهیزاتی است که توانایی کارلردهای کنترلی در گستره شبکه را دارند .

پرو تکل فیزیکی برای استاندارد IEC  1158-2 موسوم به HI  است از آنجا که HI پروتکل کم سرعتی

می باشد انجمن FOUNDATION  FIELDBUS تصمیم به طراحی و تولید گذر گاه پر سرعتی گرفته است که H2 نام دارد. این راه حل بر اساس استفاده از اثر نت سرعت بالا (100 مگابیت بر ثانیه ) طراحی می گردد و توانایی های زیر را دارد:

الف)فابلیت پل کردن قطعه فیلد باس HI به قطعه سرعت بالا ی اترنت (H2 ).

ب) امکان واسطه سازی سیتم های میزبان به یک شبکه فیلد باس با استفاده از یک اتصال اترنت سرعت بالا به جای چندین واسطHI .

ج) توانایی اتصال دستگاه های سرعت بالا به طور مستقیم به قطعه فیلد باس سرعت بالای شبکه

8)PNET این استاندارد برای ایجاذد شبکه های صنعتی در دامنه وسیعی از کاربردها (کنترل پردازه اتوماسیون کارخانه ،صنایع غذایی سسیستمهای حرکتی و …) با دسترسی ساده کار بر به معنای کاهش دستور العمل ها ایجاد گردیده است .

PNET نخستین بار به وسیله استاندارد اروپایی EN 50170 معرفی گردید پروتکل لایه پیوند داده در نرم افزار پیاده سازی میشود و با ساتفاده از پورت UART به واسط انتقال فیزیکی متصل می گردد ساختار شبکه به صورت رئیس –مرئوس است و ایستگاه ها به صورت چرخشی توسط رئیس شبکه خوانده می شود .

بنا به ماهیت ساختار رئیس –مرئوس در این استاندارد هیچ رو یدادی دیده نمی شود و در صورت وقوع امکان دریافت سریع و قابلیت ارسال به صورت همزمان به وقوع نمی پیوندد . در حقیقت ایستگاه ها منتظر می مانند تا رئیس شبکه از آنها بخواهد که گزارش وضیعت دهند .

دسترسی چند رئیسه به گذر گاه توسط روش گذار بسته صورت می گیرد . حداکثر تعداد 125 ایستگاه قابل اتصال به PNET می باشد که این عدد می تواند شامل حداکثر 32 رئیس باشد و هر رئیس تا 32 ایستگاه راکنترل نماید .

توپولوژی شبکه به صورت خطی است که دو سر آن به هم متصل می گردند . حداکثر طول مجاز 1200 متر است و واسط انتقال دو عدد زوج سیم به هم تابیده روکش دار است . توجه کنید که پروتکلPNET در لایه فیزیکی RS-485 است نرخ انتقال داده حدود 76.8 کیلو بیت بر ثانیه است مجموع زمان چرخش و خواندن تمامی ایستگاه ها حدود 2.8 میلی ثانیه طول می کشد مدت زمان ارسال یک بسته از رئیس شبکه به دیگر ایستگاه ها 0.13 میلی ثانیه است روش رمز گذاری امپدانس مشخصه گذرگاه 100 تا 120 اهم است و ایزو له سازی الکتریکی میان ورودی –خروجی و تغذیه و زمین وجود دارد