“شناخت 14 پروتکل ارتباطی ضروری در اتوماسیون صنعتی”

در گذار به انقلاب صنعتی چهارم (industry 4.0) انتخاب پروتکل‌های ارتباطی صنعتی مناسب، کلید افزایش بهره‌وری، کاهش زمان از کارافتادگی و ایجاد ارزش جدید از دیتا است. فراتر از فناوری اطلاعات اداری، فیلدباس و اترنت صنعتی، ستون فقرات محصولات هوشمند، اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) و کارخانه‌های متصل را فراهم می‌کنند. این مرور کلی نشان می‌دهد که چگونه تکامل آنها از مقیاس‌پذیری، بینش‌های بلادرنگ و مزیت رقابتی در چشم‌انداز اتوماسیون امروزی پشتیبانی می‌کند.

پروتکل ارتباطی چیست – و چرا اینقدر محبوب هستند؟

پروتکل‌های ارتباطی نحوه تبادل داده‌ها توسط دستگاه‌های میدانی – حسگرها، محرک‌ها یا ربات‌ها – را با کنترل‌کننده‌هایی مانند  PLCها یا کامپیوترها (edge computers) تعریف می‌کنند. آن‌ها سیم‌کشی را کاهش می‌دهند، در زمان نصب صرفه‌جویی می‌کنند و خطرات ناشی از خطا را کاهش می‌دهند و در عین حال فرآیند‌های هوشمندتر و قابل اعتمادتری را ایجاد می‌کنند. با پروتکل‌های ارتباطی، دستگاه‌ها وضعیت ورودی/خروجی، تشخیص‌ها و داده‌های عملکرد را به اشتراک می‌گذارند و از نظارت از راه دور، تجزیه و تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی، سرویس‌های ابری و مدل‌های تجاری جدیدی که باعث افزایش کارایی و بهره وری در خدمات می‌شوند، پشتیبانی می‌کنند.

 PLC ها و پروتکل های ارتباطی

کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLCها به عنوان مغز ماشین‌ها و فرآیندها عمل می‌کنند. از کنترل موتورهای روی تسمه نقاله گرفته تا نظارت بر دما در داخل یک راکتور شیمیایی، PLCها هزاران کار را در هر ثانیه انجام می‌دهند.

اما یک PLC به تنهایی نمی‌تواند همه کارها را انجام دهد. باید به طور مداوم با حسگرها، محرک‌ها، درایوها،HMI ها، و سیستم‌های SCADA در ارتباط باشد. این ارتباط توسط پروتکل‌های ارتباطی صنعتی امکان‌پذیر می‌شود.

PLCها ابتدا برای اتصال دستگاه‌هایی مانند مانیتور یا چاپگر به لینک‌های سریال RS232 متکی بودند. در اواخر دهه 1980، فناوری فیلدباس سیم‌کشی موازی پیچیده را با انتقال دیجیتال جایگزین کرد که بعداً در IEC61158   استاندارد شد. از سال 1999، سیستم‌های متنوع فیلدباس به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. امروزه، اتصال ابری و همگرایی فناوری اطلاعات/فناوری عملیاتی IT/OT، ارتباطات صنعتی مدرن را تعریف می‌کنند – و امنیت اکنون یک نگرانی اصلی است.

همگرایی IT/OT،

فناوری اطلاعات (IT) داده‌ها و برنامه‌های کاربردی مانند سیستم‌های اطلاعاتی، کامپیوترهای اداری و شبکه‌ها را مدیریت می‌کند. فناوری عملیاتی (OT) دستگاه‌های فیزیکی مانند تجهیزات تولید را نظارت و کنترل می‌کند. همگرایی فناوری اطلاعات و فناوری عملیاتی OT/IT هر دو را اغلب از طریق پروتکل‌های مشترک ادغام می‌کند. با این حال، این فناوری‌ها متفاوت هستند: شبکه صنعتی باید در شرایط سخت‌تری مانند ارتعاشات، گرد و غبار و گرما مقاومت کند و به استحکام بیشتری نیاز دارد. این فناوری برای جلوگیری از خطاها و پاسخ سریع به اختلالات طراحی شده است و از پروتکل‌های ساخته شده برای نرخ بالای داده، مدیریت برخورد و  مهمتر از همه ، ارتباط قطعی برای اطمینان از انتقال به موقع داده‌ها و جلوگیری از خرابی‌های تولید استفاده می‌کند.

در این مطلب، ما به طور واضح 14 پروتکل ارتباطی مهم مورد استفاده در سیستم‌های PLC، مفاهیم کاری آنها و محل کاربرد رایج آنها را مرور خواهیم کرد.

درک نقش پروتکل‌های ارتباطی در PLCها

یک PLC به اطلاعات دستگاه‌های میدانی مانند سنسورهای فشار، فلومترها، فرستنده‌های سطح، شیرها و موتورها نیاز دارد. همچنین باید دستوراتی را به این دستگاه‌ها ارسال کند. پروتکل‌های ارتباطی نحوه قالب‌بندی، ارسال، دریافت و بررسی خطاها را تعریف می‌کنند.

ارتباط خوب، پاسخ سریع، انتقال دقیق داده‌ها، همگام‌سازی سیستم و قابلیت اطمینان بالا را تضمین می‌کند. ارتباط ضعیف منجر به تأخیر، از دست رفتن داده‌ها، خطاهای سیستم و عملیات ناامن می‌شود.

1. پروتکل Device Net

DeviceNet توسط شرکت Allen-Bradley توسعه داده شد که اکنون بخشی از Rockwell Automation است. این فناوری مبتنی بر فناوری گذرگاه CAN (Controller Area Network) است و عمدتاً برای اتصال حسگرها، محرک‌ها و درایوهای موتور به PLC استفاده می‌شود.

یکی از بزرگترین مزایای DeviceNet این است که هم پاور و هم دیتا را به طور همزمان بر روی یک کابل فراهم می‌کند که هزینه سیم‌کشی و زمان نصب را کاهش می‌دهد. این پروتکل به دلیل طراحی مقاوم خود شناخته میشود و آن را برای محیط‌های صنعتی خشن مناسب می‌سازد. DeviceNet به طور گسترده در صنعت خودروسازی، ماشین‌آلات بسته‌بندی و خطوط مونتاژ استفاده می‌شود.

این پروتکل، قابلیت تشخیص‌ و عیب یابی خوب و تبادل داده‌های قابل اعتمادی را ارائه می‌دهد، اما سرعت و مسافت آن در مقایسه با پروتکل‌های مدرن مبتنی بر اترنت محدود است.

2.پروتکل Modbus

مدباس یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین پروتکل‌های ارتباطی صنعتی در جهان است. به دلیل سادگی و ماهیت باز آن، تقریباً توسط همه برندهای PLC و دستگاه‌های صنعتی پشتیبانی می‌شود.

مدباس عمدتاً به دو شکل کار می‌کند. مدباس RTU که از ارتباطات سریال مانند RS-232  یا RS-485 استفاده می‌کند و مدباس TCP/IP  که روی بستر اترنت کار می‌کند. به دلیل این انعطاف‌پذیری، مدباس در صنایعی مانند تصفیه‌خانه‌های آب، سیستم‌های اتوماسیون ساختمان، سیستم‌های نظارت بر پاور و سیستم های کنترل فرآیند یافت می‌شود.

دانش‌ پذیران اتوماسیون ترجیح می‌دهند ابتدا مدباس را یاد بگیرند زیرا درک آن آسان است. این سیستم از یک مفهوم master–slave  پیروی می‌کند که در آن PLCبه عنوان master و دستگاه‌های میدانی به عنوان slave عمل می‌کنند. حتی امروزه، مدباس به دلیل هزینه کم و سازگاری گسترده، همچنان محبوب است.

3. پروتکل PROFIBUS

پروفی‌باس (PROFIBUS) مخفف عبارت Process Field Bus  به معنای (گذرگاه میدانی فرآیند) است و عمدتاً توسط شرکت زیمنس و همکاری سایر شرکت‌های اتوماسیون توسعه داده شده است. این پروتکل یکی از موفق‌ترین و پرمصرف ترین پروتکل‌های فیلدباس در اتوماسیون صنعتی است.

پروفیباس (PROFIBUS) دو نسخه اصلی دارد. پروفیباس DP که برای ارتباط سریع با تجهیزات فیلد مانند حسگرها و درایوها استفاده می‌شود و پروفیباس PA در صنایع فرآیندی که در آنها ایمنی ذاتی intrinsic safety و مسافت طولانی کابل مورد نیاز است، مانند کارخانه‌های شیمیایی و نفت و گاز، استفاده می‌شود.

این پروتکل معمولاً در صنایع خودروسازی، فولادسازی، تولید مواد غذایی و آشامیدنی، کارخانه‌های داروسازی و واحدهای فرآوری شیمیایی یافت می‌شود. پروفی‌باس (PROFIBUS) سرعت بالا، قابلیت اطمینان خوب و پشتیبانی قوی جهانی را ارائه می‌دهد.

4. پروتکل DF1

DF1 یک پروتکل ارتباط سریال اختصاصی است که توسط Rockwell Automation برای PLC های Allen-Bradley  توسعه داده شده است. این پروتکل عمدتاً برای ارتباط نقطه به نقطه بین PLC ها، HMI ها و برنامه نویسی کامپیوترها استفاده می شود.

این پروتکل بیشتر در سیستم‌های PLC کوچک و متوسط، به ویژه در تاسیسات قدیمی‌تر، یافت می‌شود. DF1 به راحتی پیکربندی می‌شود و برای فواصل کوتاه قابل اعتماد است. با این حال، از آنجا که یک پروتکل سریال است و مبتنی بر اترنت نیست، به تدریج توسط شبکه‌های مدرن مانند EtherNet/IP جایگزین می‌شود. با این حال، بسیاری از صنایع به دلیل سیستم‌های قدیمی و عملکرد پایدار، همچنان از DF1 استفاده می‌کنند.

5. پروتکل EtherCAT

EtherCAT مخفف Ethernet for Control Automation Technology است. این یک پروتکل اترنت پرسرعت و بلادرنگ است که به طور خاص برای کنترل حرکت motion control) ( و سیستم‌های اتوماسیون سریع طراحی شده است.

EtherCAT امکان پردازش داده‌ها را به صورت «در حال حرکت»“on the fly”  و همزمان با عبور از هر دستگاه فراهم می‌کند. این امر باعث می‌شود ارتباط بسیار سریع و دقیق باشد. این فناوری به طور گسترده در رباتیک، ماشین‌های CNC، خطوط بسته‌بندی، ماشین‌های چاپ و تولید نیمه‌هادی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای دانش پذیران اتوماسیون، درک پروتکل EtherCAT مهم است زیرا نمایانگر دوران مدرن شبکه‌های صنعتی با کارایی بالا است که در آن همگام‌سازی در سطح میکروثانیه مورد نیاز است.

6. پروتکل ControlNet

ControlNet یکی دیگر از پروتکل‌های ارتباطی بلادرنگ است که توسط Rockwell Automation توسعه داده شده است. این پروتکل مبتنی بر فناوری CTDMA (دسترسی چندگانه همزمان در دامنه زمانی) است که امکان انتقال همزمان داده‌های برنامه‌ریزی‌شده و برنامه‌ریزی‌نشده را فراهم می‌کند.

ControlNet برای کاربردهایی طراحی شده است که در آنها به ارتباطات قطعی و پرسرعت نیاز است، مانند سیستم‌های کنترل حرکت (motion control systems) ، سیستم‌های اینترلاک (interlocking systems)  و عملیات PLC هماهنگ( synchronized PLC operations)

اگرچه این پروتکل عملکرد عالی در زمان واقعی ارائه می‌دهد، اما به سخت‌افزار و کابل‌کشی خاصی نیاز دارد. با رشد EtherNet/IP ، استفاده از ControlNet به آرامی در حال کاهش است، اما هنوز در تاسیسات قدیمی مبتنی بر Rockwell یافت می‌شود.

7. پروتکل HART

هارت (HART) مخفف عبارت Highway Addressable Remote Transducer به معنای مبدل از راه دور با قابلیت آدرس‌دهی است. این فناوری به طور گسترده در فرآیندهای صنعت برای ابزارهای هوشمند میدانی مانند ترنسمیترهای فشار، ترنسمیتر‌های جریان و شیرهای کنترل استفاده می‌شود.

بزرگترین مزیت HART این است که روی سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر موجود کار می‌کند، در حالی که داده‌های دیجیتال را نیز روی همان سیم حمل می‌کند. این بدان معناست که صنایع می‌توانند بدون تغییر سیم‌کشی قدیمی خود، به ابزارهای هوشمند ارتقا یابند.

از طریق HART، مهندسان می‌توانند از راه دور دستگاه‌ها را پیکربندی کنند، عیب‌یابی را بخوانند و بدون مراجعه حضوری، کالیبراسیون را انجام دهند. پروتکل  HART در صنایع نفت و گاز، شیمیایی، برق و تصفیه آب بسیار محبوب است.

8. پروتکل PROFINET

پروفی‌نت (PROFINET) جانشین مبتنی بر اترنت پروفی‌باس (PROFIBUS) است و توسط زیمنس و سایر تولیدکنندگان مطرح اتوماسیون نیز پشتیبانی می‌شود. این پروتکل، ارتباطات بلادرنگ (real-time) و غیر بلادرنگ (non-real-time) را از طریق اترنت استاندارد فراهم می‌کند.

پروفی‌نت از ارتباط پرسرعت با ماژول‌های ورودی/خروجی PLC، درایوها، ربات‌ها و اجزای اتوماسیون پشتیبانی می‌کند. امروزه این پروتکل پرمصرف ترین پروتکل صنعتی جدید است که به طور گسترده در صنعت خودروسازی، کارخانه‌های فرآوری مواد غذایی، سیستم‌های بسته‌بندی و واحدهای تولیدی مجزا استفاده می‌شود.

یکی از مزایای PROFINET این است که به راحتی با سیستم‌های فناوری اطلاعات ادغام می‌شود و از تشخیص پیشرفته پشتیبانی می‌کند و تعمیر و نگهداری را آسان‌تر می‌کند.

9. پروتکل CANopen

CANopen یک پروتکل ارتباطی سطح بالا است که بر روی گذرگاه CAN ساخته شده است. این پروتکل عمدتاً در کاربردهای کنترل حرکتmotion control و سیستم‌های اتوماسیون کامپکت استفاده می‌شود.

CANopen یک روش استاندارد برای ارتباط دستگاه‌هایی مانند درایوهای سروو، انکودرها، حسگرها و ماژول‌های ورودی/خروجی فراهم می‌کند. به دلیل انعطاف‌پذیری و هزینه کم، به طور گسترده در اتوماسیون ماشین‌آلات، تجهیزات پزشکی، آسانسورها و ماشین‌آلات سیار استفاده می‌شود.

این دستگاه، ایمنی خوبی در برابر نویز، ارتباط قابل اعتماد و پیکربندی ساده دستگاه را ارائه می‌دهد.

10. پروتکل CAN Bus

پروتکل (CAN) Controller Area Network ، شبکه منطقه‌ای کنترل‌کننده، در ابتدا برای صنعت خودرو توسعه داده شد، اما بعدها در اتوماسیون صنعتی نیز محبوب شد.

گذرگاه CAN به چندین دستگاه اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به یک کنترل‌کننده مرکزی، از طریق یک شبکه مشترک با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این گذرگاه به دلیل تشخیص خطای عالی، مصونیت قوی در برابر نویز و عملکرد بلادرنگ شناخته شده است.

در سیستم‌های PLC، از bus CAN در تجهیزات سیار، سیستم‌های نقاله، ماشین‌های جابجایی مواد و اتوماسیون فضای باز که نویز الکتریکی رایج است، استفاده می‌شود.

11. پروتکل DNP3

DNP3 مخفف Distributed Network Protocol پروتکل شبکه توزیع‌شده است. این پروتکل عمدتاً در نیروگاه های تولید برق، پست‌های برق و سیستم‌های اتوماسیون تأسیسات استفاده می‌شود.

این پروتکل امکان ارتباط بین سیستم‌های SCADA و واحدهای ترمینال از راه دور (RTUs) را در فواصل طولانی فراهم می‌کند. DNP3 به گونه‌ای طراحی شده است که حتی در شرایط ارتباطی ضعیف نیز به طور قابل اعتمادی کار کند. این پروتکل از داده‌های دارای مهر زمانی، ثبت وقایع و انتقال ایمن داده‌ها پشتیبانی می‌کند.

به دلیل این ویژگی‌ها، DNP3 نقش بسیار مهمی در نظارت و کنترل توزیع برق ایفا می‌کند.

12. OPC UA

OPC UA  (معماری یکپارچه ارتباطات پلتفرم باز(Open Platform Communications Unified Architecture)) یک پروتکل ارتباطی صنعتی مستقل از پلتفرم است که برای تبادل داده امن و قابل اعتماد بین PLCها، سیستم‌های SCADA و شبکه‌های فناوری اطلاعات استفاده می‌شود.

این سیستم از رمزگذاری داده‌ها، احراز هویت و مدل‌سازی اطلاعات استاندارد پشتیبانی می‌کند و آن را برای کاربرد‌های Industry 4.0 و IIoT ایده‌آل می‌سازد.

OPC UA  به طور گسترده برای اتصال سیستم‌های اتوماسیون مختلف و فعال کردن ارتباط یکپارچه ماشین به ماشین در کارخانه‌های هوشمند مدرن استفاده می‌شود.

13. پروتکل MQTT

یک پروتکل پیام‌رسانی سبک و مبتنی بر انتشار-اشتراک است که برای ارتباط کارآمد در شبکه‌های محدود یا غیرقابل اعتماد طراحی شده است. این پروتکل که به طور گسترده در اینترنت اشیا و اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، امکان تبادل داده به صورت بلادرنگ، با پهنای باند کم و قابل اعتماد را بین حسگرها، دستگاه‌ها و پلتفرم‌های ابری فراهم می‌کند. MQTT از ارتباطات مقیاس‌پذیر، امن و ادغام یکپارچه دستگاه‌های پیشرفته با سیستم‌های سازمانی پشتیبانی می‌کند و آن را برای Industry 4.0 و تولید هوشمند ضروری می‌سازد.

14. پروتکل IO-Link

یک پروتکل نقطه به نقطه استاندارد و باز است که حسگرها و محرک‌ها را به سیستم‌های اتوماسیون متصل می‌کند. این پروتکل امکان ارتباط دو طرفه برای داده‌های فرآیند، تشخیص و پیکربندی را از طریق کابل‌های برق ساده 24 ولت DC فراهم می‌کند. IO-Link با بهبود وضوح وضعیت و عملکرد دستگاه، نگهداری پیش‌بینی‌کننده و تولید انعطاف‌پذیر، کارخانه‌های هوشمند را ارتقا می‌دهد. سهولت استفاده، قابلیت همکاری و مقرون‌به‌صرفه بودن آن، آن را به طور گسترده برای اتوماسیون کارآمد و مدیریت دستگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌دهد.

فیلدباس (مفهوم کلی)

فیلدباس یک پروتکل واحد نیست، بلکه یک اصطلاح عمومی است که برای گروهی از شبکه‌های ارتباطی صنعتی طراحی شده برای اتصال مستقیم ابزارهای فیلد به سیستم‌های کنترل استفاده می‌شود.

نمونه‌هایی از فناوری‌های فیلدباس شامل Fieldbus FOUNDATION ، PROFIBUS و HART است. این سیستم‌ها با امکان اتصال چندین ابزار دقیق به یک خط ارتباطی واحد، سیم‌کشی را کاهش می‌دهند. سیستم‌های فیلدباس همچنین از تشخیص دستگاه و ارتباطات دیجیتال پشتیبانی می‌کنند.

فیلدباس عمدتاً در صنایع فرآیندی استفاده می‌شود، جایی که اندازه‌گیری دقیق، پایداری و ایمنی ذاتی بسیار مهم هستند.

Ethernet APL:

Ethernet-APL  ((Advanced Physical Layer) لایه فیزیکی پیشرفته) اغلب همراه با پروتکل‌های اترنت صنعتی ذکر می‌شود، اما به خودی خود یک پروتکل ارتباطی نیست.

این یک فناوری لایه فیزیکی است که امکان استفاده ایمن از پروتکل‌های مبتنی بر اترنت مانند PROFINET ، EtherNet/IP و OPC UA  را در کارخانه‌های فرآوری و مناطق خطرناک از طریق کابل‌کشی دو سیمه فراهم می‌کند.

بنابراین، اگرچه نقش کلیدی در سیستم‌های ارتباطی مدرن ایفا می‌کند، باید به عنوان یک عامل توانمندساز برای پروتکل‌ها دیده شود، نه به عنوان یک پروتکل.

چگونه پروتکل ارتباطی مناسب PLC را انتخاب کنیم؟

انتخاب یک پروتکل ارتباطی به عوامل زیادی مانند سرعت مورد نیاز سیستم، تعداد دستگاه‌ها، فاصله ارتباطی، شرایط محیطی و سازگاری با تجهیزات موجود بستگی دارد.

برای مثال، Modbus برای سیستم‌های ساده ایده‌آل است، در حالی که EtherCAT برای کنترل حرکت با سرعت بالا مناسب است. HART و FOUNDATION Fieldbus برای صنایع فرآیندی که ابزارهای آنالوگ در آنها غالب هستند، گزینه مناسب هستند.

امروزه در صنایع گوناگون، پروتکل‌های متعدد اغلب در یک سیستم اتوماسیون واحد با هم کار می‌کنند.

جمعبندی

پروتکل‌های ارتباطی، ستون فقرات هر سیستم اتوماسیون مبتنی بر PLC هستند. آن‌ها به PLCها، حسگرها، محرک‌ها، HMIها و سیستم‌های SCADA اجازه می‌دهند تا داده‌ها را به طور دقیق و قابل اعتمادی تبادل کنند. هر پروتکل مورد بحث در این مقاله مزایای منحصر به فردی دارد و برای نیازهای صنعتی خاصی طراحی شده است.

از شبکه‌های سریال ساده مانند Modbus و DF1 گرفته تا سیستم‌های اترنت پرسرعت مانند PROFINET و EtherCAT ، ارتباطات صنعتی به سرعت تکامل یافته است.

در پایان این سؤال مهم مطرح می‌شود که بهترین شبکه صنعتی چیست و چگونه می‌توان یک شبکه صنعتی را ارزیابی کرد؟

در مقاله بعدی با عنوان “بهترین شبکه صنعتی چیست؟معیارهای انتخاب شبکه‌های صنعتی” این موضوع را به‌صورت کامل بررسی خواهیم کرد.

برای آشنایی با معیارهای انتخاب و ارزیابی شبکه‌های صنعتی، با سناکو همراه باشید.

محصولات مرتبط:

​

کوپلر شبکه پروفینت و پروفیباس، PN/DP مشاهده محصول	Industrial NAT Gateway/Firewall مشاهده محصول	MULTIrep X7 مشاهده محصول	PROmesh P10 مشاهده محصول	PROFINET Diagnostic set مشاهده محصول