آگوست 6

اترنت، بین، شبکه‌های، اتوماسیون، که

مراتبی اتوماسیون صنعتی و پروتکل‌های آن می‌پردازیم. در ادامه ملزومات اساسی طراحی و ارتباطات قسمت‍های مختلف شبکه اترنت و پروفیباس شرح داده می‌شود و با ذکر محاسن و معایب هریک نشان خواهیم داد که چگونه می‌توانیم شبکه‌های با سرعت بالا ولی غیر زمان حقیقی مانند اترنت را در پروسه‌های نیازمند داده زمان حقیقی استفاده نماییم و در انتها با ترکیب شبکه‌های سطح بالا (اترنت) با شبکه‌های سطح پایین‌تر (مانند پروفیباس) به بررسی تحلیل زمانی مخابره سیگنال‌های کنترلی از طریق پیوندهای چند مرحله ای می‌پردازیم.
با توجه به بکارگیری گسترده شبکه پروفیباس و شبکه اترنت صنعتی، در این رساله به طور خاص بر استفاده همزمان از این دو نوع شبکه برای تبادل سیگنال‌های کنترلی متمرکز خواهیم شد و رفتار تأخیر متغیر با زمان، خطا در ارسال و سایر موارد را در مخابره سیگنالها از طریق هر دو شبکه و تأثیری که می‍توانند بر عملکرد سیستم کنترل داشته باشند را مورد مطالعه قرار خواهیم داد با این هدف که با استفاده از نتایج تحلیل بتوان به طور مشخص برآورده شدن قیود زمان حقیقی را به ازای هر سیستم کنترل تعیین نمود. همچنین به دنبال آن خواهیم بود که راهکارهائی را برای کمک به برآورده شدن این قیود ارائه نمائیم.
1- مقدمه 2
1-1- کلیات 2
1-2- جایگاه اترنت در هرم اتوماسیون 3
1-3- جایگاه فیلدباس در هرم اتوماسیون 7
2- معرفی شبکه‌های صنعتی 11
2-1- مقدمه 11
2-2- معرفی شبکه اترنت 12
2-2-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش اترنت 13
2-2-2- نگاهی به روند تکاملی اترنت 15
2-2-3- نگاهی به روند تکاملی اترنت زمان حقیقی 17
2-2-3-1- ON TOP OF TCP/IP 20
2-2-3-1-1- MODBUS/TCP 20
2-2-3-3-2- ETHERNET/IP 20
2-2-3-1-3- P-NET 20
2-2-3-1-4- VNET/IP 20
2-2-3-2- ON TOP OF ETHERNET 21
2-2-3-2-1- ETHERNET POWER LINK (EPL) 21
2-2-3-2-2- TIME-CRITICAL CONTROL NETWORK (TCNET) 21
2-2-3-2-3- ETHERNET FOR PLANT AUTOMATION 21
2-2-3-2-4- PROFINET CBA 21
2-2-3-3- MODIFIED ETHERNET 21
2-2-3-3-1- SERIAL REALTIME COMMUNICATION SYSTEM …………………………….. 22
2-2-3-3-2- ETHERCAT 22
2-2-3-3-3- PROFINET IO 22
2-3- شبکه پروفیباس 22
2-3-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش شبکه پروفیباس 23
2-4- ارتباطات منطقی در شبکه‌های صنعتی (اترنت و پروفیباس) 24
2-5- تکنولوژی ارتباطات در اترنت 25
2-5-1- لایه فیزیکی 26
2-5-1-1- 10BASE 5 27
2-5-1-2- 10 BASE 2 27
2-5-1-3- 10 BASE-T 28
2-5-1-4- 10 BASE-FL 29
2-5-1-5- 100 BASE یا FAST ETHERNET 30
2-5-1-6- 1000 BASE یا اترنت گیگابیت 31
2-5-2- مقایسه کلی شبکه های اترنت مبتنی بر IEEE 802.3 32
2-5-3- لایه پیوند داده ای در اترنت 32
2-5-3-1- فریم بندی داده در اترنت 33
2-5-3-2- روش دسترسی به باس در اترنت 36
2-5-4- لایه شبکه در اترنت 39
2-5-4-1- IP ADDRESS در لایه NETWORK 40
2-5-4-1-1- آدرس IP-V4 40
2-5-4-1-2- آدرس IP-V6 40
2-5-5- لایه انتقال در اترنت 41
2-6- تکنولوژی ارتباطات در پروفیباس 43
2-6-1- لایه فیزیکی 44
2-6-6-1- انتقال با کابل مسی 44
2-6-1-2- انتقال با فیبر نوری 48
2-6-2- توپولوژی‌های شبکه پروفیباس 50
2-6-2-1- توپولوژی باس با استفاده از ریپیتر 50
2-6-2-2- توپولوژی درختی با استفاده از ریپیتر 51
2-6-3- لایه پیوند داده: 52
2-6-3-1- فرمت انتقال دیتا و امنیت آن 53
2-6-3-2- نحوه دسترسی به باس 54
2-6-3-3- فریم TOKEN 56
2-6-4- پروفیباس FMS 56
2-6-5- پروفیباس PA 57
2-7- جمع بندی 60
3- تبادل داده بین PLC‌ ها با استفاده از شبکه‌های صنعتی 62
3-1- مقدمه 62
3-2- طراحی شبکه 63
3-2-1- امکان سنجی 64
3-2-2- تجزیه و تحلیل 65
3-2-3- طراحی 65
3-2-4- اجرا 66
3-2-5- نگهداری و به روز رسانی 66
3-3- تکنیک‌های دسترسی به شبکه 67
3-4- شبکه کردن PLC‌ ها با استفاده از اترنت 67
3-4-1- ارتباطات SEND / RECEIVE در شبکه اترنت 68
3-4-2- کارکردهای ارتباطی 69
3-4-3- پیکربندی و برنامه نویسی ارتباط S7 CONNECTION 70
3-4-3-1- پیکر بندی سخت افزار 70
3-4-3-2- پیکربندی ارتباط در NETPRO 71
3-4-3-3- برنامه نویسی تبادل دیتا در اترنت 72
3-5- شبکه کردن PLC‌ها با استفاده از پروفیباس 73
3-5-1- تنظیمات شبکه پروفیباس 75
3-5-1-1- پارامتر HIGHEST PROFIBUS ADDRESS 76
3-5-1-2- پارامتر TRANSMISSION 76
3-5-1-3- پروفایل‌های پروفیباس 77
3-5-2- INTELLIGENT SLAVE 77
3-5-3- برنامه نویسی تبادل دیتا در پروفیباس 77
3-6- جمع بندی 78
4- تحلیل تئوری و عملی شبکه‌های صنعتی 80
4-1- مقدمه 80
4-2- محاسبه زمانی ارتباط پروفیباس 81
4-2-1- محاسبه زمانی ارتباط یک MASTER و یک SLAVE به لحاظ تئوری 82
4-2-2- محاسبه زمانی ارتباط یک MASTER و یک SLAVE به لحاظ عملی 85
4-2-3- محاسبه زمانی ارتباط یک MASTER و دو SLAVE به لحاظ تئوری 88
4-2-4- محاسبه زمانی ارتباط یک MASTER و دو SLAVE به لحاظ عملی 89
4-3- محاسبه زمانی ارتباط اترنت 91
4-4- زمان حقیقی نمودن اترنت 96
4-5- سیستم‌های چند مرحله ای 98
4-5-1- حالت اول DP-LAN-DP 99
4-5-2- حالت دوم LAN-DP-DP 102
4-5-3- مقایسه دو سیستم 104
4-6- جمع بندی 105
5- تاثیر شبکه‌های صنعتی بر روی حلقه کنترلی 107
5-1- مقدمه 107
5-2- مدل مورد بررسی بدون تاخیر زمانی 108
5-3- وارد نمودن تاخیر به سیستم (تاخیر ناشی از شبکه) 110
5-4- مدل سازی با شبکه ترکیبی 113
5-5- نتیجه گیری: 114
6- جمع بندی و پبشنهادات 116
6-1- جمع بندی 116
6-2- پیشنهادات 119
شکل ‏11: هرم اتوماسیون[2] 4
شکل ‏12: سطوح شبکه‌های صنعتی [4] 5
شکل ‏13: کاربرد اترنت در سطوح مختلف اتوماسیون [6] 6
شکل ‏14: جایگاه پروفیباس در هرم اتوماسیون [2] 8
شکل ‏15: معماری اصلی سیستم متشکل از لینک‌های اترنت و پروفیباس 9
شکل ‏16: معماری شبیه سازی شده متشکل از لینک‌های اترنت و پروفیباس 9
شکل ‏21: روند تحول اتوماسیون 12
شکل ‏22: برخورد در اترنت 15
شکل ‏23: اترنت مبتنی بر هاب [8] 16
شکل ‏24: اترنت مبتنی بر سوییچ [9] 17
شکل ‏25: ساختارهای ممکن برای اترنت زمان حقیقی [11] 19
شکل ‏26: لایه فیزیکی 26
شکل ‏27: تصادم دیتا در اترنت [30] 38
شکل ‏28: لایه شبکه 39
شکل ‏29: لایه انتقال 42
شکل ‏210: کابل مسی شیلددار 44
شکل ‏211: ساختار RS485 [32] 44
شکل ‏212: ساختار Star 45
شکل ‏213: ساختار Tree 46
شکل ‏214: کابل و کانکتور پروفیباس [34] 47
شکل ‏215: نحوه اتصال OLM به پروفیباس [36] 49
شکل ‏216: نحوه اتصال OLP به پروفیباس[37] 50
شکل ‏217: توپولوژی باس با استفاده از ریپیتر[39] 51
شکل ‏218: موقعیت لایه‌های LLC و MAC در مدل OSI [2] 52
شکل ‏219: بسته UART [40] 53
شکل ‏220: بسته اطلاعاتی پروفیباس[41] 53
شکل ‏221: نحوه ارسال دیتا در پروفیباس[2] 55
شکل ‏222: ساختار Token در پروفیباس[41] 56
شکل ‏223: لایه های مورد استفاده در پروفیباس FMS [2] 57
شکل ‏224: پروفیباس PA/DP [2] 58
شکل ‏225: انتقال دیتا در پروتکل H1 [2] 58
شکل ‏31: چرخه زندگی یک سیستم 64
شکل ‏36: شبکه کردن دو PLC 300 توسط اترنت 71
شکل ‏37: Connection Table 71
شکل ‏38: مشخصات ارتباط برقرار شده 72
شکل ‏39: شبکه کردن دو PLC 300 توسط پروفیباس 76
شکل ‏310: SFC14 [61] 78
شکل ‏311: SFC15 [62] 78
شکل ‏41 : ساختار Bus Cycle 82
شکل ‏42: ساختار انتقال اطلاعات در پروفیباس 83
شکل ‏43: فریم پروفیباس 84
شکل ‏44: فریم تغییر یافته پروفیباس [41] 85
شکل ‏45: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین یک Master و یک Slave 87
شکل ‏46: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات بین یک Master و یک Slave 87
شکل ‏47: نمودار زمان بین دو ارسال متوالی اطلاعات یک Master و یک Slave 88
شکل ‏48: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین یک Master و دو Slave 90
شکل ‏49: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات بین یک Master و دو Slave 90
شکل ‏410: فریم IEEE [5] 92
شکل ‏411: فریم پروفینت [66] 92
شکل ‏412: Network Utilization 93
شکل ‏413: Network Utilization با دو کامپیوتر 93
شکل ‏414: تصادم در هاب 94
شکل ‏415: Connection Statistic [68] 94
شکل ‏416: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت 95
شکل ‏417: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت 95
شکل ‏418: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با یک CPU به صورت همزمان با اترنت 96
شکل ‏419: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین CPU1 و CPU2 با اترنت در حالت زمان حقیقی 97
شکل ‏420: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین CPU2 و CPU3 با اترنت در حالت زمان حقیقی 97
شکل ‏421: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت در حالت زمان حقیقی و با یک لینک معیوب 98
شکل ‏422: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 1 99
شکل ‏423: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرایط بد 101
شکل ‏424: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرایط خوب 101
شکل ‏425: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP 101
شکل ‏426: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 2 102
شکل ‏427: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرایط بد 103
شکل ‏428: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرایط خوب 103
شکل ‏429: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP 104
شکل ‏430: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت همراه با دو کامپیوتر 105
شکل ‏51: مدل مورد بررسی 107
شکل ‏52: بلوک دیاگرام مدل به همراه PID 108
شکل ‏53: سیگنال ورودی 108
شکل ‏54: پارامترهای PID 109
شکل ‏55: خروجی سیستم بدون تاخیر 110
شکل ‏56: بلوک تاخیر 110
شکل ‏57: بلوک دیاگرام مدل به همراه تاخیر 13ms 111
شکل ‏58: خروجی سیستم با تاخیر 13ms 111
شکل ‏59: پارامترهای PID با در نطر گرفتن تاخیر 13ms 112
شکل ‏510: خروجی سیستم با تاخیر 13ms و پایدارسازی مجدد 112
شکل ‏511: بلوک دیاگرام مدل شامل شبکه پروفیباس و اترنت 113
شکل ‏512: خروجی سیستم با تاخیر 26ms در شبکه اترنت 114
جدول 2-1: زیرکمیته 802 و استانداردهای مربوط به آن 13
جدول 2-2: سیر تحول اترنت 14
جدول2-3: مقایسه اترنت معمولی و سریع 24
جدول2-4: انواع اترنت گیگابیت 25
جدول2-5: مقایسه کلی شبکه‌های اترنت 26
جدول2-6: مشخصات کابل پروفیباس 40
جدول2-7: ماکزیمم طول سگمنت پروفیباس بر اساس سرعت انتقال دیتا 41
جدول3-1: سرویس‌های ارتباطی زیمنس 64
جدول3-2: حجم دیتای قابل جابجایی مبنی بر سرویس‌های ارتباطی 65
جدول3-3: فانکشن‌های مورد استفاده مبنی بر سرویس‌های ارتباطی 66
جدول3-4: فانکشن‌های برنامه نویسی اترنت 69
جدول3-5: Slaves 71
جدول4-1: معرفی هر المان و وظیفه آن در پروفیباس 80
1-1- کلیات
هنگامی که در دهه شصت تکنولوژی‌های اتوماسیون دیجیتال در دسترس قرار گرفت، از آن‌ها جهت بهبود و توسعه سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده شد. مفاهیمی مانند صنایع خودکار1 و سیستمهای کنترلی خودکار توزیعی2، در زمینه اتوماسیون صنعتی معرفی گردید و کاربرد شبکه‌های ارتباطی تقریبا رشد قابل توجهی نمود. با گسترش شبکه‌های ارتباطی در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، جمع آوری اطلاعات و عملیات کنترلی در سطو ح پایین به این شبکه‌ها سپرده شد. این گسترش تا جایی پیشرفت نمود که امروزه در یک سیستم مدرن اتوماسیون، دستگاه‌های موجود در سطوح مختلف سیستم، از طریق این شبکه های ارتباطی به انتقال داده‌ می‌پردازند. از این رو کوشش‌هایی جهت استاندارد سازی بین المللی در زمینه شبکه‌ها صورت گرفت که دستاورد مهم آن پروتکل اتوماسیون صنعتی MAP در راستای سازگاری سیستم‌های ارتباطی بود. پروتکل MAP جهت غلبه بر مشکلات ارتباطی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون گسترش پیدا کرد و به عنوان یک استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در کارخانه‌ها 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 و قابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می‍گردد [1].
امروزه یک کارخانه با اتوماسیون مدرن یا نسبتا مدرن، اتاق‌های فرمان و کنترل، از محل‌هایی هستند که نسبت به گذشته پیشرفت‌های بسیار جالب توجهی داشته اند. در چنین اتاق‌هایی از پانل‌های بزرگ قدیمی3 که شکل فرآیند روی آنها ترسیم شده بود و به چراغهای سیگنال زیادی مجهز بودند دیگر خبری نیست. همه چیز را بایستی در صفحات کامپیوتر یا اصطلاحاً HMI4 جستجو کرد. اما افراد کاوشگر در پشت این صفحات به دنبال ارتباطات فیزیکی بین کامپیوتر و فرآیند هستند و با مختصر جستجو به پانل‌هایی در همان نزدیکی برخورد می‌کنند که تجهیزات ارتباطی در آن نصب گردیده اند. و با نگاهی به تجهیزات ارتباطی سخت افزاری شبکه در یک نگاه متوجه می‌شوند که شبکه مورد استفاده همان شبکه معروف اترنت صنعتی5 است [2].
امروزه شبکه اترنت در کاربرد‌های اداری نیز آنقدر معروف و مرسوم شده که بسیاری از کاربران غیر متخصص نیز با تجهیزات آن مانند هاب، سوئیچ، کابل و … آشنا هستند. در هر صورت در کاربرد HMI اگر چه ممکن است در مواردی و بدلایلی ارتباط فوق را بصورت‌های دیگر و توسط شبکه‌های صنعتی دیگر نیز بتوان مشاهده کرد، ولی در سیستم‌های مدرن امروزه کمتر اتفاق می‌افتد که در سطحHMI شبکه ای به جز اترنت صنعتی بکار گرفته شود.
برای روشن شدن مبحث به جایگاه دو شبکه اترنت و پروفیباس در این هرم اتوماسیون می‌پردازیم:
1-2- جایگاه اترنت در هرم اتوماسیون
ساختار یک سیستم اتوماسیون جامع، که دربرگیرنده تجهیزات مختلف کنترل و مانیتورینگ است، را به ساختاری هرمی شکل تشبیه می‌کنند. در این ساختار هر دسته از تجهیزات بسته به نوع و کاربرد جایگاه خاصی دارند. بر این اساس سطوح مختلفی را برای این هرم تعریف می‌کنند و در هر سطح تجهیزات مربوطه را همراه با شبکه‌های صنعتی قابل استفاده معرفی می‌نمایند. پایین ترین سطح حسگرها و عملگرها هستند. همانطور که از نامش پیداست سطحی است که در آن سنسورها و عملگرها قرار می‌گیرند. یکی از شبکه‌های صنعتی معروف که در این سطح استفاده می‌شود 6ASI است. سطح بالاتر فیلد است. در این سطح تجهیزاتی مانند ورودی خروجی‌های ریموت و ثبات‌ها7 و دیگر وسایل فیلد قرار می‌گیرند و شبکه مورد استفاده آنها
می تواند پروفیباس باشد. از سطح فیلد که بالاتر برویم به سطح کنترل می‌رسیم. در این سطح PLC8‌ها، سیستم‌های 9DCS و HMI‌ ها قرار می‌گیرند، در برخی تقسیم بندی‌ها سطح کنترل را به دو سطح HMI و کنترل تقسیم بندی می‌کنند؛ و بالاخره بالاترین سطح مدیریت است که در آن سیستم‌های اطلاعات مدیریت مانند سیستم‌های تولید، نگهداری، تعمیرات، فروش و خرید قرار می‌گیرد. در برخی موارد اطلاعات موجود در سطح کنترل به صورت خام قابل استفاده برای سطح مدیریت نیستند و بایستی روی آنها پردازش صورت گیرد. از این رو سطح واسطی بین ایندو با عنوانMES10 تعریف می‌شود. اما آنچه لازم است مورد توجه قرار گیرد آنست که در هرم فوق هرقدر از سطح پایین به سطح بالا نزدیک می‌شویم تمرکز اطلاعات بیشتر می‌شود. بنابراین برای جابجایی آنها، به شبکه‌هایی با سرعت بالاتر نیازمندیم [3].
شکل ‏11: هرم اتوماسیون[2]
بعنوان مثال اطلاعات تجهیزات فیلد که پراکندگی بسیار دارند در یک یا چند Remote I/O متمرکز می‌گردند و اطلاعات چند Remote I/Oدر یک PLC و اطلاعات چند PLC در یک سیستم HMI تمرکز می‌یابد. شاید به دلیل همین تمرکز است که ساختار را به صورت هرمی شکل نمایش می‌دهند.
از تمرکز اطلاعات در سطوح بالاتر نکته دیگری نیز به ذهن می‌رسد در این سطوح حجم اطلاعات بیشتر شده و برای جابجایی آنها به شبکه‌هایی با سرعت بالاتر نیازمندیم.
در سطوح پایین، شبکه ای مانند ASI حداکثر با 170Kbps و شبکه ای مانند پروفیباس11 حداکثر با سرعت 12Mbps می‌تواند اطلاعات را جابجا کند. این سرعت ممکن است برای تبادل دیتا در سطوح بالا کند باشد.
امروزه اترنت صنعتی با سرعت 100Mbps و یا 1Gbps در سطوح بالا مانند Cell Level اطلاعات را جابجا می‌کند و در سطح Management از اترنت‌های سریعتر مانند 1Gbps معمولا استفاده می‌کنند.
شکل ‏12: سطوح شبکه‌های صنعتی [4]
بطور خلاصه به دلیل وجود حجم زیاد اطلاعات در سطوح بالا، نمی‌توان از شبکه‌های سطوح پایین که سرعت کم دارند در آنها استفاده کرد. ولی سؤالی که به ذهن می‌رسد آنست که چرا از شبکه‌های سریع مانند اترنت در سطوح پایین مانند سطح فیلد استفاده نمی‌شود.
خواننده محترم پس از مطالعه بخش‌های بعدی این پایان نامه متوجه خواهد شد که در اترنت بصورت پایه، قطعیت برای ارسال بموقع دیتا وجود ندارد و ممکن است هر بار زمان ارسال دیتا با دفعات پیشین متفاوت باشد. این تفاوت بدلیل ویژگی تکنیک دسترسی در اترنت است که به CSMA/CD موسوم است که در آن پدیده تصادم اطلاعات وجود دارد. در حالیکه شبکه‌هایی مانند پروفیباس از روش‌های Token pass و Master/Slave استفاده می‌کنند، که اگرچه کندتر از اترنت هستند ولی بموقع رسیدن اطلاعات در یک زمان مشخص را تضمین می‌کنند[5].
به هر حال با وجود تما



Copyright 2018. All rights reserved.

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

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