تحقیق مقاله شبکه های صنعتی

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 :

تفوت 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 .