آگوست 6

اترنت، این، ولی، شبکه‌های، سیستم‌های

م مسائل فوق امروزه امکان اتصال به اترنت برای بسیاری از انواع وسایل مورد استفاده در اتوماسیون فراهم شده به صورتی که علاوه بر کنترلر و کامپیوتر سایر تجهیزات دیگر مانند پانلهای اپراتوری
(OP, TP) و درایو‌ها و واسط‌های بین I/O با شبکه موسوم به Remote I/O‌ها را می‌توان به شبکه اترنت متصل نمود.
وقتی از اترنت در سطوح مختلف اتوماسیون استفاده می‌شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، مزیت بزرگی با خود به همراه دارد و آن یکدست بودن شبکه و عدم نیاز به استفاده از شبکه‌های متنوع است. پراکندگی کمتر در سخت افزار، عدم نیاز به کابل‌ها و کانکتورهای متفاوت و عدم نیاز به آشنایی با چند شبکه برای متخصصین اتوماسیون و طبیعتاً عیب یابی ساده تر از مزایای این روش به شمار می‌روند.
شکل ‏13: کاربرد اترنت در سطوح مختلف اتوماسیون [6]
با همه این مزایا وجود عدم قطعیت در ارسال بموقع دیتا، که از ویژگی‌های اجتناب ناپذیر شبکه اترنت است، طراح را مجبور می‌سازد تا کاربرد اترنت را صرفاً برای اموری مانند مونیتورینگ و کلاً در مواقعی که احتمال دریافت دیتای با تاخیر مشکلی در کنترل فرآیند ایجاد نمی‌کند محدود نماید.
1-3- جایگاه فیلدباس در هرم اتوماسیون
وقتی صحبت از جایگاه فیلدباس در هرم اتوماسیون می‌شود، بیش از همه ذهن به سمت فیلد معطوف
می‌گردد یعنی شبکه کردن سنسورها و عملگرها. این ذهنیت اگرچه درست است ولی در عمل پروتکل‌های مختلفی که تحت عنوان فیلدباس عرضه شده اند بعضا پا را فراتر گذاشته و در سطح کنترل نیز کاربرد پیدا
کرده اند که پروفیباس نیز یکی از این موارد است. از پروتکل‌های مشهور در زمینه فیلدباس می‌توان موارد زیررا نام برد:
• FOUNDATION FIELDBUS
• ASI
• DeviceNet
• LON
• HART
• CAN
• Ethernet
• SDS
• PROFIBUS
• EIB
• Interbus
• ControlNet
شکل زیر جایگاه پروفیباس را در هرم اتوماسیون نشان می‌دهد. همانطور که ملاحظه می‌شود گستردگی آن از سطح فیلد تا سطح کنترل می‌باشد. در سطح بالاتر یعنی سطح نظارت12اگرچه می‌توان از Profibus FMS استفاده کرد، ولی امروزه اترنت صنعتی در این سطح عملا جایگزین پروفیباس شده و بندرت از آن در سطوح بالاتر از سطح کنترل استفاده می‌گردد.
شکل ‏14: جایگاه پروفیباس در هرم اتوماسیون [2]
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
در این پایان نامه در فصل دوم پس از مروری کوتاه بر سیر تغییر و تحول شبکه‌های صنعتی به معرفی
شبکه‌های اترنت و پروفیباس پرداخته و نقاط ضعف و قوت اترنت و پروفیباس را در لایه‌های مختلف مدل OSI13، عنوان و از نتایج این بخش در تحلیل تئوریک عملکرد زمانی و زمان حقیقی 14بودن اطلاعات در این دو شبکه بهره می‌گیریم. هدف ما در فصل سوم، بررسی تبادل دیتا بین PLC‌ ها با استفاده از شبکه‌های صنعتی بوده و در فصل چهارم ضمن بررسی و تحلیل زمانی ارسال و دریافت اطلاعات در شبکه‌های پروفیباس و اترنت به تنهایی، راهکاری جدید مبنی بر تغییر در شبکه اترنت با هدف دسترسی زمان حقیقی به داده‌ها ارایه و آزمایش خواهد گردید و سپس با برقراری چند لینک متوالی متشکل از پروفیباس و اترنت به تحلیل زمانی (تاخیر) پرداخته تا به روشی برای دستیابی به سرعت بالا با قطعیت در ارسال در این نوع شبکه‌های ترکیبی ارایه گردد. در فصل آخر به جمع بندی و ارایه پیشنهاداتی جهت ادامه طرح در آینده می‌پردازیم.
مسأله مورد توجه در این پایان نامه امکان سنجی شهودی “ایجاد حلقه‌های ارتباطی متشکل از لینک‌های اترنت و پروفیباس” می‌باشد. چراکه در عمل اطلاعات جمع آوری شده‍ در فیلد توسط شبکه پروفیباس به CPU بالادست خود ارسال شده، سپس این اطلاعات از طریق شبکه اترنت در اختیار یک CPU دیگر در مکان دورتر قرار م‍ی‌گیرد (شکل 1-5). در شکل 1-6 CPU1 نقش عملگر و حسگر، که در عمل از هم دور هستند، را بطور همزمان برعهده دارد و ما به این دلیل هردو نقش را به CPU1 داده ایم که بتوانیم تاخیر را اندازه بگیریم. از آنجا که در صنعت، زمان حقیقی بودن حلقه‌های کنترلی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد، در سیستم‌ مورد اشاره به بررسی این موضوع پرداخته و با انجام چندین باره آزمایشات زمان حقیقی بودن هر سیستم آزموده می‌گردد. این آزمایشات بر پایه مشاهدات تجربی بوده و تاخیرات به وجود آمده در پیکره‌بندی‌های مختلف این لینک‌ها و حلقه‌ها در ارسال و دریافت اطلاعات مورد بررسی قرار می‌گیرد. در واقع با بررسی تاخیر شبکه، زمان حقیقی بودن سیستم بررسی خواهد گردید.
شکل ‏15: معماری اصلی سیستم متشکل از لینک‌های اترنت و پروفیباس
شکل ‏16: معماری شبیه سازی شده متشکل از لینک‌های اترنت و پروفیباس
معرفی شبکه‌های صنعتی
(اترنت و پروفیباس)
2- معرفی شبکه‌های صنعتی
2-1- مقدمه:
منظور از شبکه‌های صنعتی، بکارگیری سیستم‌های سخت افزاری/ نرم افزاری لازم و ایجاد معماری مناسب برای تبادل اطلاعات در محیط‌های صنعتی است. این تبادل اطلاعات، که به منظور عملکرد بهتر سیستم‌های کنترلی خواهد بود، می‌تواند تبادل اطلاعات دیجیتال بین سیستم‌های کنترلی (DCS/FCS/PLC) یا عناصر اولیه کنترل (مانند حسگرها یا دستگاههای اندازه گیری) و یا عناصر نهایی کنترل را شامل شود. در اولین
سیستم‌های کنترل فرآیند، انتقال اطلاعات به صورت آنالوگ انجام می‌گرفت، که این انتقال با روش‌های پنوماتیک یا جریان الکتریکی آنالوگ صورت می‌گرفت. سیستم کنترل فرآیند از دستگاه‌های ساده ای تشکیل می‌شد که سیگنالهای ساده ای را برای ارتباط با یکدیگر به کار می‌گرفتند. با تحول در مدارهای الکترونیکی و ظهور کامپیوتر‌های اولیه، سیستم‌های کنترل الکترونیکی به وجود آمدند که انتقال اطلاعات در آنها با جریان الکتریکی آنالوگ صورت می‌گرفت، که این سیستم‌ها به دلیل وجود کامپیوترهای مرکزی بزرگ، بسیار گران و غیر قابل اعتماد بودند. سپس با تحول در صنعت مدارهای مجتمع و کوچکتر شدن کامپیوتر‌ها، سیستم‌های کنترل گسترده به وجود آمدند که در آنها وظایف کنترلی بین اجزای مختلف تقسیم شده و ارتباط در این
سیستم‌ها به صورت نقطه به نقطه بود. با پیشرفت فن آوری و پیدایش سیستم‌های کامپیوتری از یک طرف و انتظارات مصرف کنندگان برای بهبود کیفیت اجناس مصرفی از طرف دیگر، سیستم‌های کنترلی پیچیده‌تری پدیدار گردید [1].
شکل ‏21: روند تحول اتوماسیون
بدیهی است با این شرایط، تبادل اطلاعات از اتاق کنترل به سایت و همچنین تبادل اطلاعات بین ادوات مختلف سیستم مرکزی کنترل به روش سنتی و یاد شده در بالا عملی نخواهد بود. در این فصل
می خواهیم با بیان تاریخچه شبکه‌های صنعتی از جمله اترنت و پروفیباس به ضرورت نیاز به شبکه‌های تبادل اطلاعات صنعتی پی برده و سپس به معرفی ویژگی‌های هریک بپردازیم.
2-2- معرفی شبکه اترنت
اترنت صنعتی شبکه ای باز و استاندارد است که می‌تواند سطوح مختلف در هرم اتوماسیون را پوشش دهد. ادوات مختلف در لایه فیزیکی این شبکه می‌تواند بصورت الکتریکی (توسط کابل کواکسیال یا کابل TP) یا به صورت نوری توسط فیبر نوری به یکدیگر متصل گردند. واسط‌ها یا کوپلرهایی وجود دارند که اتصال این شبکه را با شبکه‌های صنعتی پایین دست، مانند پروفیباس، برقرار می‌سازند. اترنت در اصل بر این ایده مبتنی است که کامپیوترها توسط یک کابل کواکسیال به اشتراک گذاشته شده با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.
روش‌های مورد استفاده شبیه روش‌هایی بود که در سیستم‌های رادیویی استفاده می‌شد. کابل مشترکی که کانال ارتباطی را فراهم می‌کرد به «اتر» (ماده درخشانی که در فیزیک قرن نوزدهم تصور می‌شد تمام فضا را پر کرده است و تابش‌های الکترومغناطیس از طریق آن انتشار می‌یابد) تشبیه شد، و نام اترنت از این منبع مشتق شد[7].
2-2-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش اترنت:
پیدایش شبکه اترنت به سال 1972 برمی گردد. دراین سال مرکز تحقیقات شرکت زیراکس برای اولین بار ارتباط بین کامپیوترهای خود را از طریق اینترفیس اترنت که با سرعت 2.94Mbps کار می‌کرد برقرار نمود.
کلمه اترنت نام تجاری ثبت شده شرکت زیراکس می‌باشد که ابتدا این شبکه را ابداع نموده است. اترنت زیراکس چنان موفقیتی را کسب کرد که در سال 1980 سه شرکت بزرگ Digital, Xerox, Intel به هم پیوستند و استاندارد جدیدی را برای آن پایه ریزی نمودند و آنرا DIX نامیدند. مشخصاتی که برای این شبکه منتشر گردید به Blue Book نامگذاری شد. پس از آن در سال 1982 به جهت تغییراتی که در آن اعمال شد، نسخه دوم اترنت با نام اترنت 2 ارائه گردید. اگرچه محصولات شرکت‌های مزبور در سطح جهانی عرضه می‌شد و خریداران بسیار داشت ولی تا این مرحله اترنت تحت پوشش هیچ استاندارد بین المللی نبود. در سال 1983 کمیته ای در استاندارد 1IEEE تحت عنوان کمیته 802 تشکیل گردید که کار سازماندهی شبکه‌های LAN2 و ایجاد پروتکل باز استاندارد برای شبکه را به عهده گرفت. زیر کمیته‌های 802 استاندارد‌های مختلفی را برای شبکه LAN طراحی نمودند که در شکل بعد نشان داده شده است[5].
نتیجه کار زیرکمیته 802.3 برای اترنت در سال 1985 به عنوان CSMA/CD IEEE802.3 عرضه شد. از آنجا که روش دسترسی به باس در اترنت نیز بصورت CSMA/CD بود، به تدریج نام این استاندارد با نام اترنت در هم آمیخت و امروز از IEEE802.3 به عنوان اترنت یاد می‌شود.
802.0
SEC
802.1
High Level Interface (HILI)
802.2
Logic Link Control (LLC)
IEEE 802.3- 10 Mbit
802.3
CSMA/CD Working Group
IEEE 802.3u-100 Mbit
802.4
Token Bus
IEEE 802.3z-1000 Mbit
802.5
Token Ring
802.6
Metropolitan Area network (MAN)
802.7
BroadBand Technical Adv. Group (BBT AG)
802.8
Fiber Optic Technical Adv. Group (FOT AG)
802.9
Integrated Services LN (ISLAN)
802.10
Standard for Interoperable LAN Security (SILS)
IEEE 802.11
802.11
Wireless LAN (WLAN)
IEEE 802.12 a
802.12
Demand Priority
IEEE 802.13 b WiFi
802.14
Cable-TV Based Broadcast Communication Network
IEEE 802.13 g
802.15
Wireless Personal Area Network (WPAN)
802.16
Broadband Wireless Access (BBWA)
RPRSG Resilient Packet Ring Study Group (RPRSG)
جدول 2-1: زیرکمیته 802 و استانداردهای مربوط به آن [5]
توجه شود که اگرچه IEEE802.3 و اترنت قدیمی یعنی DIX یا اترنت 2 را می‌توان روی یک کابل متصل نمود، ولی به دلیل تفاوت در فریم دیتای آنها (که در فصل‌های بعد شرح داده خواهد شد)، تضمینی برای تبادل صحیح اطلاعات در این حالت وجود ندارد. امروزه سازندگان تجهیزات شبکه کارتها و سایر سخت افزار‌های اترنت را منطبق بر استاندارد IEEE802.3 عرضه می‌کنند. استاندارد IEEE از سال 1985 تا کنون نسخه‌های مختلفی را برای اترنت عرضه کرده و مرتبا ویژگی‌های جدیدی را به آن اضافه نموده است. به طور خلاصه سیر تحول اترنت از ابتدا تا کنون به صورت زیر بوده است[5]:
جدول 2-2: سیر تحول اترنت [5]
2-2-2- نگاهی به روند تکاملی اترنت:
کمیته IEEE 802.3 از سال 1985 شروع به ارائه راهکارهایی جهت بهبود عملکرد اترنت نمود و در سال 1987 ورژن 1 BASE 5 با پهنای باندMbps 1 ارائه گردید. این نسخه از اترنت از یک زوج به هم تابیده بر پایه اتصال ستاره با بهره گیری از تکنولوژی‌ هاب جهت انتقال دیتا استفاده نمود. در این ساختار تمامی تجهیزات به صورت نقطه به نقطه به یکدیگر متصل می‌شدند و در صورتی که تعداد وسایل بیشتر از دو بود از هاب جهت برقراری این ارتباط استفاده می‌شد. ولی نقطه ضعف بزرگ این تکنولوژی در این بود که وقتی یکی از
پورت‌ها به وسیله یکی از وسایل اشغال می‌شد، اطلاعات آن پورت مستقل از گیرنده به تمامی وسایل ارسال
می‌گردید که این امر باعث به وجود آمدن برخورد می‌گردید.
شکل ‏22: برخورد در اترنت
شاید در کاربردهای روزمره از شبکه که هم حجم اطلاعات پایین بوده و هم تاخیر سیستم تاثیرگذار بر کار سیستم نمی‌باشد، این مسئله مشکل ساز نباشد. ولی وقتی صحبت از یک سیستم بلادرنگ می‌شود هر نوع تاخیری سبب پایین آمدن کارایی سیستم می‌گردد، علی الخصوص وقتی این تاخیر بر اثر این نوع تصادم، غیر قابل پیش بینی و غیر قابل محاسبه باشد. در نتیجه این ساختار از اترنت به هیج وجه در صنعت قابل استفاده نبوده و می‌بایست اصلاح می‌گردید که تلاش در این زمینه آغاز گردید[8].
شکل ‏23: اترنت مبتنی بر هاب [8]
سرعت انتقال در این تکنولوژی در سال 1990 بهMbps 10 و در سال 1995 بهMbps 100 و در سال 1998 به Gbps 1رسید ولی با وجود بالا رفتن سرعت، نقطه ضعف آن همچنان حائز اهمیت بود و علی رغم افزایش تعداد نودها در ساختار کلی شبکه تغییری ایجاد نشد.
در سال 1997 به منظور رفع مشکلات موجود در هاب، استاندارد IEEE P802.3X جهت بهبود عملکرد سیستم و کاهش تصادم ارائه گردید. در ساختار جدید هاب‌ها با سوییچ‌های اترنت جایگزین گردیدند. بدین ترتیب بسته‌های داده فقط به پورتی که مقصد بود ارسال می‌شد و سازندگان توانستند پورت‌های سوییچ را مستقل از یکدیگر نموده و ارتباط دو به دو پورت‌ها را فراهم آورند که این امر موجب گردید تا حد زیادی تاخیر انتقال و تصادم اطلاعات شبکه کاهش یابد. از طرف دیگر با اضافه کردن حافظه به سوییچ‌ها یک گام دیگر به افزودن سرعت کاری شبکه برداشته شد. به این طریق که بسته دیتا ابتدا از هر نود به سوییچ منتقل شده و سپس سوییچ این بسته را به گیرنده ارسال می‌کند. به طور مثال اگر نود A قصد ارسال اطلاعات به نود B را داشته باشد، ولی در این زمان نود B قادر به دریافت آن نباشد (توسط نودهای دیگر اشغال شده باشد) اطلاعات A در حافظه سوییچ تا زمان خالی شدن مسیر نود B ذخیره می‌گردد. علی رغم این بهبود ساختار همچنان تاخیر ناشی از تصادم و یا اشغال بودن پورت‌ها به قوت خود باقی بوده و با توجه به توابع تصادفی استفاده شده در ساختار شبکه، این تاخیرات قابل محاسبه نمی‌باشند که این امر باعث گردیده همچنان اترنت به عنوان یک شبکه غیر بلادرنگ شناخته شود[9] .
شکل ‏24: اترنت مبتنی بر سوییچ [9]
شبکه‌های اترنت با سوییچ با اینکه یک بهبود بزرگ نسبت به اترنت مبتنی بر هاب بودند، ولی هنوز هم نباید آن را به عنوان یک شبکه امن در نظر گرفت. عدم وجود امنیت در این شبکه به دلیل حملاتی است که
سوییچ‌ها و هاست‌ها را گمراه می‌کند تا به سیستم‌هایی هم که به عنوان گیرنده در نظر گرفته نشده بودند نیز اطلاعات فرستاده شود که امروزه برای رفع این مشکل شبکه‌های پیشرفته از سیستم‌های حفاظتی مانند قفل کردن MAC ، فیلترینگ پخش و سوییچینگ چند لایه ای برای مسیر یابی بین کلاس‌های مختلف استفاده
می‌کنند[10].
2-2-3- نگاهی به روند تکاملی اترنت زمان حقیقی3:
تحقیقات و استفاده از تکنولوژی های فیلدباس4 از سال 1985 آغاز شد و کمیته های مختلف نظیر کمیته استاندارد اروپا5 یا IEC به کار بر روی استانداردهای فیلدباس پرداختند[11].
همزمان با این تحولات شبکه هایی با پایه اترنت یا TCP/IP رشد کردند و هزینه اجرای زیرساخت های لازم جهت این شبکه‌ها رو به کاهش رفت و از جهت دیگر مستقل از نوع وسیله و یا سازنده و با کمک تکنولوژی اینترنت تمامی‌وسایل مجهز به این شبکه‌ها را می‌شد در هرمکانی به یکدیگر متصل نمود. ولی در سطح فیلد همچنان شبکه‌های اختصاصی فیلدباس استفاده می‌شد ولی مزایا و همه گیری شبکه‌های اترنت سازندگان را بر آن داشت تا روشی برای استفاده از آن در صنایع بیابند ولی مشکلات موجود در پروتکل و عدم سازگاری آن با پروسه های صنعتی مانع این کار می‌گردید. لذا کمیته‌های استاندارد و سازندگان به دنبال ارائه راهکارها و تغییرات مورد نیاز جهت حل مشکلات بودند. عمده مشکل موجود زمان حقیقی نبودن اترنت بود لذا اولین گام برطرف کردن این مشکل و ارائه اترنت زمان حقیقی بود. مواردی که در استانداردهای جدید مورد نیاز بود عبارتند از:
– زمان ارسال6
– تعداد نقاط7
– تعداد سوییچ های8 مورد نیاز
– پهنای باند9
– دقت همزمان سازی ساعت10
– زمان مورد نیاز جهت افزونگی11
کاربردهای مختلف منجر به شکل گیری کلاس‌های مختلف برای موارد بالا شد. بطور مثال پروسه‌های کند مبتنی بر تصمیم گیری انسانی نیازمند پاسخ زمانی کمتر از 100 ms می‌باشند که بر روی سیستم معمول TCP/IP قابل اجرا بود. پروسه‌های کلاس بعدی، پروسه‌های کنترلی بودند که نیازمند پاسخ زمانی 10 ms می‌باشند. در این حالت وجود اترنت زمان حقیقی مشهود می‌باشد. در این حالت نیز با تغییراتی در پروتکل و استفاده از تجهیزات قوی و کیفیت بالا می توان به این امر دست یافت[11].
در پروسه‌های کلاس آخر یعنی کنترل حرکت که در آن نیاز به کنترل چندین بازو در محورهای مختلف دیده می شود پاسخ زمانی کمتر از 1 ms مورد نیاز است که این امر با ورود تجهیزات بسیار سریع امکان پذیر است. لذا این کلاس با تغییرات سخت افزاری و بهینه نمودن اترنت، همراه بوده است.
با توجه به دسته بندی بالا شبکه اترنت به سه بخش مختلف تقسیم بندی شد که سازندگان بسته به نیاز خود هر بخش را جداگانه توسعه دادند که عبارتند از:
1. بخش اول شبکه های فاقد ماهیت زمان حقیقی بودند که اترنت معمول بر مبنای TCP/IP پرچمدار آن بوده، و همچنان به عنوان همه گیری ترین پروتکل ارتباطی دارای استفاده می باشد.
2. دسته دوم با تغییر در لایه های بالای TCP/IP به اترنت زمان حقیقی دست یافتند12.
3. در روش بعدی تغییر در



همه حقوق محفوظ است

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *