پروتکل‌های صنعتی چیست

طراحی اتوماسیون‌های صنعتی یا سیستم‌هایی که بتوانند بدون نیاز به مراقبت و دخالت مستقیم نیروهای انسانی خود فرایندها را پیش ببرند، انقلاب بزرگی در توسعه و رشد صنعت بود. در این راستا به منظور کنترل هر چه بیشتر، برقراری نظم و هماهنگی نیاز به راه حلی برای تبادل، هدایت و زیر نظر گرفتن اطلاعات به وجود آمد. انواع شبکه و پروتکل‌های صنعتی در جهت پاسخگویی به این نیاز طراحی شدند. در ادامه قصد داریم ضمن معرفی انواع این پروتکل‌های صنعتی شما را با ویژگی‌ها، نقاط ضعف و قوت آنها نیز آشنا نماییم.

شبکه و پروتکل‌های صنعتی چیست؟

همان طور که در ایتدای متن نیز اشاره کردیم، پیدایش شبکه و پروتکل‌های صنعتی به دنبال ظهور اتوماسیون‌های صنعتی و واگذاری فرایندها به دست ماشین‌ها اتفاق افتاد. در واقع شبکه و پروتکل‌های مختلف برای نظم دهی و کنترل ماشین‌ها و به نحوی آموزش و هدایت دستگاه‌های صنعتی طراحی و به کار بسته شدند.

به بیان ساده شبکه همان مسیر یا مسیرهایی است که برای تبادل اطلاعات در نظر گرفته می‌شود. اگر سیستم صنعتی و دستگاه‌های فعال در یک کارخانه را، شهر در نظر بگیریم؛ شبکه همان خطوط خیابان‌ها، کوچه‌ها و مسیرهای ارتباطی در شهر است که عبور و مرور در آنها انجام می‌گیرد.

حال برای تبادل و انتقال هر چه بهتر، ایمن‌تر و کاربردی‌تر اطلاعات درون شبکه نیاز به کدها و دستورالعمل‌هایی خواهد بود. از این رو پروتکل‌ها پدید آمده‌اند. اگر به سراغ مثال خود برویم، پروتکل‌های صنعتی نقش قوانین راهنمایی و رانندگی را ایفا می‌کنند تا بدین واسطه خودروها و مردم (اطلاعات و دیتا) ایمن، سریع و بدون مشکل به مقصد خود برسند. هر کارخانه یا اتوماسیونی نیاز به شبکه و پروتکل مخصوص خود خواهد داشت همانطور که هر شهری با توجه به ویژگی‌های محیطی خود دارای مسیرهای ارتباطی اختصاصی و قوانین مشخص است.

انواع رایج پروتکل‌های صنعتی

مهم‌ترین بخش استفاده از پروتکل‌های صنعتی آشنایی با ویژگی‌ها و قابلیت‌های هر یک و در انتها انتخاب بهترین گزینه موجود با توجه به نیازها است. گفتنی است که یادگیری، تسلط و توانایی تحلیل شبکه‌ها و پروتکل‌های صنعتی نیاز به تحصیلات و تجزبیات تخصصی دارد. در ادامه ما تنها سعی داریم نمونه‌ای از رایج‌ترین‌ها را به شما معرفی کنیم.

فونداسیون فیلدباس (Fieldbus Foundation)

برای آشنایی با فیلد باس آسان‌ترین راه این است که به شکل بخش بخش ساختار این اسم را مورد بررسی قرار دهیم. فیلد از دیدگاه صنعت برای مورد نظر قرار دادن یک ناحیه یا محدوده جغرافیایی فیزیکی مشخص به کار می‌رود. حال این محدوده جغرافیایی فیزیکی مشخص شده یا همان فیلد خود شامل انواع فرایندهای صنعتی می‌باشد. در واقع بخشی از فرایندهای صنعتی که در محیطی مشخص پیش می‌روند و با یکدیگر ارتباطی تنگاتنگ دارند را فیلد نامگذاری می‌کنند. برای بررسی معنی باس باید به سراغ علم کامپیوتر برویم. انواع خطوط از جمله خطوط نوری یا الکتریکی در علم کامپیوتر باس نامیده می‌شوند.

باس‌ها در سیستم وظیفه انتقال اطلاعات را عهده دار می‌شوند. با توجه به این معانی به طور کلی باید گفت فیلد باس یا به بیان کامل‌تر Fieldbus Foundation، تمامی خطوطی که سیستم کنترل مرکزی یا تجهیزات داخلی را به یکدیگر با ارتباطی دو طرفه، متصل می‌کنند را در بر می‌گیرد.

خوب است بدانید که فیلد باس خود شامل انواع مختلفی مانند پروفی باس، DNET و  CAN است که در ادامه متن به آنها نیز اشاره خواهیم کرد.

مزایای فیلد باس

• کاهش محسوس هزینه‌های سیم کشی
• بهینه سازی فضای نصب
• قابلیت کنترل درستی اطلاعات
• کاهش اثر گذاری منفی عواملی مانند نویز و آسیب دیدگی‌های فیزیکی
• بهره مندی از سیستم توزیع کننده

معایب فیلد باس

• پیچیدگی و نیاز به پرسنل و شرایط حرفه‌ای به منظور اجرا
• هزینه‌های بالا مربوط به اجزای سیستم فیلد باس
• خطای باس احتمال قطع سیستم راهنما، سنسورها و محرک‌ها را با خود به همراه دارد.

پروفی باس (Profibus)

پروفی باس خود یکی از پروتکل‌های ارتباطی فیلد باس است که امروزه در زمینه فناوری اتوماسیون‌های صنعتی بسیار مورد توجه واقع شده است. به واسطه استفاده از این تکنولوژی می‌توان میان سیستم‌های اتوماسیون و کنترلرها با دستگاه‌های میدانی غیر متمرکز همچون محرک‌ها، رمزگذارها و سنسورها اتصال برقرار کرد. طراحی Profibus با توجه به تکنولوژی ارتباط سریال RS-485 انجام شده است. از این رو امکان نصب هر چیزی به آن از جمله انواع PLCها، HMI/ SCADA، سنسورها، درایوها، سرورها و تجهیزات HART وجود دارد. تمامی اطلاعات مبادله شده میان دستگاه‌های متصل و کنترل مرکزی با استفاده از تنها یک کابل انجام خواهد شد. از انواع پروفی باس‌های موجود در بازار می‌توان به Profibus DP، Profibus PA و Profibus FMS اشاره کرد.

مزایای پروفی باس

• مقاومت بالا در برابر نویز به واسطه وجود کابل‌های TP
• بهره مندی از پهنای باند وسیع به دلیل استفاده از روش‌های انتقالی مانند RS485
• تبادل دیتای ایمن و بدون تداخل با توجه به به کارگیری روش دسترسی TOKEN PASS
• کاهش هزینه‌های سیم کشی به لطف حذف کابل کشی‌های موازی
• امکان عیب یابی سریع به کمک استفاده از سیستم‌های توزیع‌شده
• انعطاف پذیری بالا در خصوص توسعه سیستم با توجه به عدم انحصار و Open بودن

معایب پروفی باس

• محدودیت سرعت تا حداکثر Mbps
• گران قیمت بودن کابل پروفی باس
• گران قیمت بودن توسعه دهنده طول پروفی باس
• مواجه شدن با اختلال در فرایند انتقال پیام در صورت بروز خطا در Master

Device Net

دیوایس نت یکی از انتخاب‌های به نسبت ارزان از جنس تکنولوژی RS-485 است که به طور گسترده در اتوماسیون‌های صنعتی به منظور برقراری ارتباط و پیوند میان سایر اجزای سیستم استفاده می‌شود. ویژگی خاص به کارگیری Device Net امکان ایجاد بیش از یک لایه رسانه کنترل شبکه به علاوه یک لایه نرم افزار با پوشش طیف وسیعی از پروفیل است. به واسطه استفاده پروتکل صنعتی مشترک چنین شرایطی ایجاد شده است. گفتنی است که سازنده این فناوری کنترل تبادل اطلاعات در اتوماسیون‌های صنعتی به منظور اینکه بتواند به گسترش استفاده از آن و همچنین ایجاد شرایطی برای توسعه هر چه بیشتر Device Net، طراحی Open را در نظر گرفت.

مزایای  Device Net

• نصب آن با سرعتی به شکل محسوس بیشتر انجام می‌گیرد
• این فناوری در مقایسه با شیوه سیم کشی نقطه به نقطه بسیار ارزان‌تر تمام خواهد شد.
• می‌تواند در بسیاری از اوقات ویژگی‌های کنترلی بیشتری را ارائه دهد.
• قابلیت استفاده با انواع سیستم‌های کنترل PC و PLC را دارد.

معایب Device Net

• با محدودیت پهنای باند مواجه است
• در اندازه پیام با محدودیت همراه است
• برای در نظر گرفتن حداکثر فاصله نیاز به توجه به محدودیت‌ها است.

مد باس (Modbus)

در ابتدای کار لازم است به این نکته اشاره کنیم که مد باس یکی از قدیمی‌ترین و همچنین رایج‌ترین پروتکل‌های اتوماسیون موجود در خصوص اتوماسیون پردازش و SCADA یا همان سامانه سرپرستی و گردآوری اطلاعات است. خوب است بدانید آشنایی کامل با شیوه ایجاد شبکه به واسطه استفاده از این فناوری یکی از سرفصل‌های ضروری برای سایر تکنسین‌ها و مهندسین فعال در رشته برق به شمار می‌رود. به کمک به کارگیری مد باس (Modbus) می‌توان زبانی مشترک برای برقراری ارتباط میان دستگاه‌ها و تجهیزات فعال در سیستم ایجاد نمود. مد باس خود دارای انواع مختلف با قابلیت‌های گوناگون به نام‌های Modbus RTU،  Modbus ASCII،  Modbus TCP و  Modbus Plus است.

مزایای مد باس (Modbus)

• به خوبی از مسافت‌های طولانی پشتیبانی می‌کند
• سرعت بیشتری را در اختیار قرار می‌دهد
• امکان اتصال چندین دستگاه را بر روی تنها یک شبکه به وجود می‌آورد
• مولتی دراپ

معایب مد باس (Modbus)

• طراحی باز و به دنبال آن عدم امنیت در برابر دستورهای غیر مجاز
• عدم دسترسی به قابلیت رهگیری داده‌ها
• عدم امکان اضافه کردن دستگاه مستر

هارت (Hart)

در این قسمت نوبت آن است که استاندارد جهانی مربوط به ارسال و دریافت پیام‌های دیجیتال را به شما معرفی نماییم. به بیان ساده و سریع هارت (Hart) یک پروتکل ارتباطی دو طرفه است که امکان دسترسی داده‌ها را بین سیستم میزبان در اختیار قرار می‌دهد. با استفاده از این فناوری، سیستم میزبان قابلیت خواهد داشت تا تمامی نرم افزارهای موجود را تحت کنترل خود در بیاورد. پایه گذاری هارت با توجه به استاندارد ارتباطی FSK که در سامانه‌های مخابراطی اجرا می‌شود، انجام گرفت. سیگنال‌های جابه جا شده توسط هارت حاوی اطلاعاتی نظیر مشخصات تجهیزات، کالیبراسیون و خطاها هستند.

مزایای هارت (Hart)

• این فناوری طراحی آسان دارد که همین ویژگی استفاده و به کارگیری آن را آسان نموده است.
• هزینه‌های جاری که شامل تعمیر و نگهداری می‌شوند، پایین است
• از خود سازگاری خوبی با ابزار دقیق آنالوگ رایج نشان می‌دهد
• می‌تواند دو نوع ارتباط آنالوگ و دیجیتال را برقرار کند.
• به شکل مالتی دراپ نیز می‌تواند ارتباط برقرار کند.

ASI (AS- Interface)

این پروتکل نیز مشابه سایر مواردی که تا به اینجا معرفی نمودیم در راستای انتقال و تبادل اطلاعات با حذف سیم کشی‌های طولانی طراحی شده است. پایه گذاری پروتکل صنعتی ASI بر اساس استاندارد IEC 62026/EN 50295 انجام شده است که حجم بسیاری از کابل‌های قدیمی را با تنها یک کابل دو رشته‌ای جایگزین می‌کند. گفتنی است که به کارگیری این فناوری باعث می‌شود تا سایر تجهیزات از جمله سنسورها و عملگرها به شکلی یکپارچه در کنار یکدیگر کار کنند. یکی از ویژگی‌های جالب توجه پروتکل صنعتی ASI که بر محبوبیت آن افزوده؛ امکان تغییر محل نصب تجهیزات و ماژول‌ها بدون به وجود آمدن هرگونه قطعی ارتباط یا نیاز به تنظیمات مجدد است.

مزایا ASI

• انعطاف پذیری بالایی از خود در راستای توسعه و تطبیق با نیازهای هر اتوماسیون صنعتی نشان می‌دهد
• نقش بسیار مؤثری در کاهش هزینه‌های مربوط به سیم کشی خواهد داشت
• سادگی طراحی، نصب و کار با آن
• می‌تواند در کاهش خطاهای مربوط به نصب نقش پررنگی داشته باشد

وایرلس (Wireless)

باید گفت که شناخته شده‌ترین پروتکل صنعتی مربوط به وایرلس می‌باشد. ارتباطات بدون سیم برای تبادل اطلاعات در اتوماسیون‌های صنعتی، تکنولوژی است که می‌تواند به شکل محسوسی از هزینه‌ها و از همه مهم‌تر احتمالات خطا و آسیب دیدگی را کاهش دهد. گفتنی است که امروزه استفاده از فرکانس‌های رادیویی مجاز بسیار مورد توجه واقع شده است چرا که به خوبی قابلیت توسعه و به کارگیری در محیط‌های متفاوت را دارند اگر چه تضمین امنیت آن در مقابل موارد مختل کننده خارجی کمی دشوار خواهد بود. در حال حاضر موارد کاربرد وایرلس (Wireless) به شکل‌های مختلف در سیستم‌های اینترنت LET،  wifiو بلوتوث رایج است اما نوع استفاده آن در اتوماسیون‌های صنعتی به روشی کاملا متفاوت است که می‌توانید جزئیات آن را در صفحه مربوطه مطالعه نمایید.

مزایا وایرلس (Wireless)

• کاهش 90 درصدی هزینه‌های مربوط به سیم کشی
• حذف نویزهای الکتریکی به دلیل وجود ایزولاسیون الکتریکی ذاتی
• قابلیت نصب و جابه جایی آسان و سریع
• سایر مسیرهای ارتباطی با خطرات فرسودگی و سانحه مانند خوردگی، بریدگی، سوختگی و… مواجه نخواهند شد
• تنوع مدل‌های از نظر قدرت، سرعت و محدوده عملکرد

اینفوگرافی پروتکل های صنعتی

کلام پایانی

امروزه با توجه به گسترش فناوری و به دنبال تلاش‌هایی که در راستای بهینه سازی اتوماسیون‌ها و سایر فعالیت‌های صنعتی صورت می‌گیرد، انتخاب‌های متعددی برای تبادل اطلاعات در این حوزه وجود دارد. انتخاب پروتکل صنعتی مناسب تماما به شرایط پروژه بستگی خواهد داشت و اقدامی نیست که بدون بررسی، آزمون و خطا و توسط یک فرد غیر حرفه‌ای انجام بگیرد. نیاز است که حتما یک طراح یا مهندس برق ابتدا کاملا پروژه، نیازها و محدودیت‌های آن را بررسی نماید و سپس با توجه به آشنایی که نسبت به سایر پروتکل‌های صنعتی و ویژگی‌های آنها دارد پس از محاسبات، دست به انتخاب بزند.