خانه / اتوماسیون صنعتی / شبکه / مقایسه ی شبکه‌های اترنت صنعتی

مقایسه ی شبکه‌های اترنت صنعتی

از اواخر دهه ی نود میلادی شبکه‌های صنعتی مبتنی بر اترنت راه خود را در بازار اتوماسیون صنعتی باز نمودند. نیروی محرکه ی این امر نیاز به وجود شبکه‌ای یکدست جهت تبادل اطلاعات از پایین‌ترین سطح هرم اتوماسیون یعنی بخش حسگرها و عملگرها تا بخش مدیریت یک واحد تولیدی بود. ولی این نیاز به‌ظاهر برآورد شده در عمل مشکلات جدیدی را به وجود آورد. در طول دهه ی گذشته تعداد شبکه‌های اترنت مورد استفاده در صنعت و تنوع آن‌ها به‌قدر زیاد شد که علاوه بر عدم حصول نتیجه در داشتن شبکه ای واحد و یا با تعدد کم، امکان مقایسه ی این نوع از شبکه‌ها برای کاربر نیز بسیار دشوار شد. در این نوشتار سعی گردیده است که نکات بارز هر یک از شبکه‌ها با توجه به الزامات فرآیندی که در آن مورد استفاده قرار می‌گیرند و همچنین سایر موارد فنی مورد نیاز ذکر گردند.

۱. معیارهای مقایسه
برای مقایسه ی شبکه‌های اترنت صنعتی با یکدیگر، پارامترهای خاصی در بخش دوم استاندارد IEC61784 تعریف می شود. این معیارها به‌طورکلی در سه دسته ی زیر طبقه بندی می‌شوند:
• ظرفیت و توانایی یک شبکه بر اساس زمان انتقال یا به عبارت‌ دیگر تجدیدپذیری داده‌ها، تعداد داده‌های منتقل ‌شده در واحد زمان (throughput RTE ) و پهنای باند شبکه برای اطلاعات از نوع Non-RTE؛
• معیارهای زمانی مانند دقت در سنکرون زمانی ، دقت در مواردی که نیاز به سنکرون زمانی نیست یا در موارد افزونگی زمان لازم جهت سوییچ کردن از شبکه ی قطع‌شده به شبکه ی سالم ؛
ا قابلیت‌های توپولوژی مانند تعداد تجهیزات قابل اتصال، نوع توپولوژی (خطی، ستاره‌ای و …) و یا تعداد سوییچ‌های اترنت قابل‌استفاده.
در مقایسه ی معیارهای اشاره ‌شده باید توجه داشت که پارامترهای ذکر شده به‌صورت مجرد قابل ارزیابی نمی‌باشند. برای مثال زمان تجدیدپذیری با تعداد تجهیزات در یک شبکه ارتباط مستقیم دارد. وابستگی پارامترها به همدیگر به فناوری هر یک از شبکه‌ها ارتباط دارد و در استاندارد IEC به نام ماتریس وابستگی (جدول ۱) نشان داده‌شده‌اند.
این نکته قابل ‌ذکر است که با توجه به سخت‌گیری کم در پذیرش شبکه‌های اترنت در استانداردهای IEC که در دیگر مقالات به آن اشاره شده است، نمی‌توان فقط به مقادیر عددی و توضیحات سازندگان اتکا نمود؛ ولی اطلاعات داده شده را می‌توان به‌عنوان نقطه ی شروعی برای مقایسه در نظر گرفت. همچنین اکثر شبکه‌ها نقاط قوت خود را برای کاربردهای خاص دارند و در مقایسه ی شبکه‌ها به این نکته نیز باید توجه نمود.

جدول ۱. ارتباط معیارهای مقایسه با یکدیگر (PI )

مقایسه ی شبکه‌های اترنت صنعتی

Influencing PI Dependent PI
Time synchronization accuracy NON-RTE bandwidth Throughput RTE No. of switches b/w. end stations Basic network Topology No. of end stations Delivery time
No No No Yes No No Delivery time
Yes No No Yes Yes No No. of end stations
No No No No No No Basic network Topology
Yes No No Yes Yes Yes No. of switches b/w. end stations
No Yes No No No No Throughput RTE
No Yes No No No No NON-RTE bandwidth
No No Yes Yes No No Time synchronization accuracy

2. مشخصات فنی
ورود شبکه‌های صنعتی مبتنی بر اترنت به صنعت فقط به دلیل مشخصه‌ی سرعت‌ بالا و ویژگی بی‌درنگ بودن آنها نیست. شاید مهم‌ترین عامل محرک در مقایسه با شبکه‌های رایج صنعتی مانند Profibus, CANopen, DeviceNet,… توانایی جمع‌آوری و ارسال اطلاعات از سطوح پایین هرم اتوماسیون صنعتی تا بخش مدیریت (MES,ERP) و همچنین قابلیت اتصال به دنیای IT است که به یکپارچه سازی عمودی نیز معروف است.
برای دست‌یابی به این قابلیت‌ها، مشخصات فنی زیر برای شبکه‌های اترنت صنعتی انتظار می‌رود:
• پشتیبانی از پروتکل و خدمات استاندارد در دنیای IT؛
• پشتیبانی از قابلیت بی‌درنگ بودن تبادل اطلاعات در محیط‌های صنعتی.
این دو مشخصه در عمل توسط شبکه‌های اترنت صنعتی به روش‌های مختلف و برای کاربردهای متفاوت پوشش داده می‌شوند.
استفاده از خدمت TCP/IP که در دنیای IT و اینترنت مرسوم است در شبکه‌های اترنت صنعتی نیز همچنان به قوت خود باقی است و در تمامی سطوح هرم اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شود. برای نمونه می‌توان به قابلیت Web Server اکثر تجهیزات مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی اشاره نمود که امکان راحتی را برای پایش و یا تنظیم پارامترهای دستگاه با مرورگرهای رایج اینترنت فراهم می‌کنند.
علی‌رغم استفاده از TCP/IP به‌عنوان خدمت یکسان در اکثر شبکه‌های اترنت صنعتی، مشخصات فنی بی‌درنگ بودن آن‌ها و چگونگی‌ی پیاده‌سازی این قابلیت در شبکه‌های مختلف کاملاً متفاوت و وابسته به کاربردهای صنعتی آن‌ها است.
برای مشخصه ی بی‌درنگ بودن شبکه‌های اترنت صنعتی سه دسته‌بندی مختلف که از نظر تجدیدپذیری زمانی با یکدیگر متفاوت هستند، وجود دارد:
• کلاس A: زمان تجدیدپذیری اطلاعات نسبتاً بالا و تا حدود ms 100 است.
ن کلاس B: نیاز فرآیند به زمان کوتاه تجدیدپذیری اطلاعات بالاست و این زمان حدود ms 10 است. در این دسته‌بندی اکثر کاربردهای صنعتی قرار می‌گیرند.
• کلاس C: در این دسته‌بندی بالاترین نیاز به یک سامانه ی بی‌درنگ و کوتاه‌ترین زمان تجدیدپذیری اطلاعات وجود دارد و بازه‌ی زمانی مورد نیاز کمتر از ms 1است. از کاربردهای این دسته از شبکه‌های اترنت صنعتی می‌توان به سامانه‌های Servo & Motion Control اشاره نمود.
استفاده از IP در مقوله‌ی بی‌درنگ می‌تواند از نظر فنی محدودیت‌هایی را ایجاد نماید. به همین دلیل شبکه‌هایی به بازار عرضه ‌شده‌اند که از این فناوری استفاده نمی‌کنند و این خود باعث گوناگونی و تنوع شبکه‌های عرضه ‌شده و به‌تبع آن دشواری در مقایسه ی آن‌ها گردیده است.
جهت بررسی فنی شبکه‌های اترنت صنعتی به دانستن روش‌های پیاده‌سازی آن‌ها نیاز است که اصول پایه‌ای مورد استفاده به‌صورت ساده در مطالب ارایه شده در ادامه‌ی مقاله توضیح داده شده‌اند.
به‌طورکلی سه بخش مختلف در مکانیسم تبادل اطلاعات را می‌توان تشخیص داد:
• بخش پایه برای انتقال داده‌ها بر اساس Ethernet –Packages؛
در این قسمت از سطوح ۱ و ۲ مدل ISO/OSI استفاده می شود. در سطح ۲ مشخصات بسته‌های اطلاعاتی مانند آدرس‌دهی MAC و یا اندازه ی بسته‌های اطلاعاتی ارسالی و همچنین چگونگی دسترسی به شبکه توسط هر یک از تجهیزات (CSMA/CD ) توضیح داده شده‌اند.
• بخش میانی مبنی بر استفاده از TCP/IP-Stack؛
در این قسمت از سطوح ۳ و ۴ مدل ISO/OSI استفاده می‌شود و روش آدرس‌دهی تجهیزات متصل به شبکه بر اساس IP است و امکان تبادل اطلاعات با دنیای خارج توسط اینترنت نیز وجود دارد.
• بخش کاربری (Application Protocol)
این قسمت در حقیقت مترجم اطلاعات ارسالی و نمایش آن‌ها برای کاربر است و هم‌چنین تعداد دفعات به‌روز نمودن اطلاعات را در این بخش می‌توان تعیین نمود.
۳. راه‌حل‌های موجود
اترنت‌های صنعتی که به‌صورت بی‌درنگ کار می‌کنند، همان‌طوری که در بخش قبل اشاره شد در سه کلاس A,B,C تقسیم‌بندی می‌شوند که با توجه به راندمان و میزان انطباق با استاندارد اترنت متفاوت هستند.
۱-۳. محصولات بر اساس کلاس A (TCP/IP Base)
شبکه‌های ارایه شده در این گروه از سخت‌افزارهای مرسوم شبکه‌ی اترنت در دنیای IT برای تبادل اطلاعات استفاده می‌کنند و مطابقت کامل با پروتکل TCP/IP دارند. نمونه‌ی بارز این گروه، شبکه‌ی Modbus/TCP است. قابلیت بی‌درنگ بودن این نوع شبکه‌های محدود و رفتار زمانی در بخش TCP/IP-Stack مشخص می‌شود. آدرس‌دهی بر اساس IP است و به همین دلیل امکان تبادل اطلاعات با محیط خارج از سازمان نیز امکان‌پذیر است. استفاده از اینترنت یا ابر از روش‌های تبادل اطلاعات با محیط خارج است. با توجه به تطابق با استانداردهای اترنت و دنیای IT، امکان استفاده از ساختار و تجهیزات نصب‌شده‌ی IT درون‌سازمانی امکان‌پذیر است (شکل ۱). از نمونه‌های دیگر این گروه می‌توان به شبکه‌های EtherNet/IP و Profinet-CbA اشاره نمود.

 

شکل ۱. ساختار تبادل اطلاعات شبکه اترنت بر اساس استاندارد TCP/IP

3-2. محصولات بر اساس کلاس (Ethernet-MAC) B
در این گروه از محصولات جهت تبادل اطلاعات مربوط به فرآیند از استفاده ی پروتکل IP و همچنین TCP/IP-Stack صرف نظر شده است. این گروه از شبکه‌های اترنت به صورت مستقیم با بسته ی اطلاعاتی اترنت کار می‌کنند و جهت آدرس‌دهی از آدرس‌های MAC هر یک از تجهیزات استفاده می‌شود. با توجه به حذف لایه‌های تبادل اطلاعاتی، راندمان شبکه به دلیل کوچک شدن بسته‌های اطلاعاتی افزایش می‌یابد که این امر باعث کوتاه شدن زمان تبادل اطلاعات و همچنین Jitter می‌شود.
با توجه به نیاز کاربران به تبادل اطلاعات براساس IP این گروه از محصولات هر دو خدمت یعنی استفاده از سامانه ی بی‌درنگ جهت تبادل اطلاعات فرآیندی و استفاده از خدمت معمولی IP جهت سایر موارد تبادل اطلاعاتی در کابل‌های شبکه اترنت ارایه می‌دهند که خود باعث تقسیم پهنای باند می‌شود.
در شکل ۲ به‌صورت شماتیک ساختار تبادل اطلاعاتی این گروه از محصولات نشان داده‌شده است. برای شبکه‌های اترنت این گروه در صورتی‌که به‌عنوان بی‌درنگ و جهت تبادل اطلاعات فرآیند استفاده شود باید از سوییچ‌های اترنت خاص که گروه B را پشتیبانی می‌نمایند، استفاده شود. برای سایر موارد، از تجهیزات رایج در IT می‌توان استفاده نمود. در مشخصات فنی سوییچ‌های اترنت ارایه شده در بازار به پشتیبانی کلاس B اشاره می‌شود.
به عنوان نمونه ی بارز این گروه از شبکه‌های اترنت می‌توان به Profinet RT و Ethernet PowerLINK اشاره نمود.


شکل ۲. شبکه ی اترنت براساس آدرس‌دهی IP و به‌صورت بی‌درنگ بر اساس آدرس‌دهی MAC

3-3. محصولات براساس کلاس C
در این گروه از محصولات همانند گروه B جهت تبادل اطلاعات فرآیندی مستقیماً با بسته ی اطلاعاتی اترنت کار می‌شود ولی برعکس گروه B در لایه ی Ethernet/MAC از روش دستیابی دیگری به شبکه و همچنین رفتار زمانی متفاوتی استفاده می‌شود که این خود نیاز به استفاده از سخت‌افزار خاص برای اترنت دارد (شکل ۳). این گروه از محصولات همان‌طوری که پیش از این اشاره شد بالاترین سرعت تجدیدپذیری اطلاعات (کمتر از یک میلی‌ثانیه) و کمترین زمان Jitter (کوچک‌تر از ۱ میکروثانیه) را به خود اختصاص می‌دهند. به دلیل مشخصات بارزی که این گروه دارند، سخت‌افزار مورد نیاز متفاوت از سایر گروه‌ها و اترنت رایج دنیای IT است. محصولات این گروه نیز به دلیل متفاوت بودن چگونگی پیاده‌سازی و ساخت نیز دارای تنوع و اختلاف زیادی با همدیگر می‌باشند. برای مثال می‌توان از شبکه ی EtherCAT نام برد که از روش Summing Frame Methode جهت جمع‌آوری اطلاعات استفاده می‌کند و برایslave ها نیاز به سخت‌افزار خاص دارد. شبکه ی Profinet IRT از روش شکاف زمانی استفاده می‌کند و باید از سوییچ‌های خاص برای ارتباط بی‌درنگ استفاده نمود. از دیگر شبکه‌های این گروه می‌توان به CC-Link IE و SERCOS III اشاره نمود. البته با توجه به اهمیت ارتباط بر مبنای TCP/IP، شبکه‌های یاد شده این امکان را به روش‌های مختلف جهت تبادل اطلاعات غیرفرآیندی فراهم می‌سازند.


شکل ۳. شبکه ی اترنت صنعتی با نیازهای سخت‌افزاری خاص

۴. معیارهای انتخاب
ارزیابی و انتخاب شبکه‌های اترنت صنعتی بی‌درنگ براساس مشخصات فنی آن‌ها که در بخش ۱ به آن‌ها اشاره گردید، می‌تواند انجام پذیرد.
در کنار مشخصات فنی که می‌توانند معیار اصلی در انتخاب شبکه ی اترنت صنعتی باشند، سایر مواردی که حتماً باید در یک انتخاب مدنظر قرار گیرند نیز وجود دارند که در زیر به آن‌ها به‌اختصار اشاره می‌گردد:
• مهندسی؛
• قابلیت تعویض قطعات با تجهیزات مشابه؛
• قابلیت عیب‌یابی؛
• قابلیت کار با سایر شبکه‌ها؛
• قابلیت استفاده در شبکه ی IT یک سازمان؛
• گستردگی در بازار و عرضه‌کنندگان متنوع.
۴-۱. مهندسی
مهندسی شامل طراحی شبکه ی مورد استفاده، تعیین گره ها، تعریف توپولوژی، مشخص نمودن تجهیزاتی که با همدیگر تبادل اطلاعات می‌نمایند، محاسبه ی زمان تجدیدپذیری مورد نیاز و همچنین چگونگی دسترسی سامانه ی کنترل به تجهیزات توسط شبکه ی اترنت صنعتی است.
در سامانه‌های پیشرفته ی کنترل اصولاً کارت شبکه ی مناسب جهت ارتباط مستقیم با تجهیزات براساس شبکه ی اترنت صنعتی مورد نیاز وجود دارد. چگونگی پیکربندی شبکه و تنظیم متغیرهای آن از قابلیت‌های ارایه شده توسط سازندگان سامانه‌های کنترل می‌باشند که راحتی کار، تنظیم آسان و پشتیبانی گرافیکی تنظیمات از مشخصات بارز یک نرم‌افزار قدرتمند است.
سایر مواردی که می‌توان در بخش مهندسی به آن‌ها اشاره نمود عبارتند از:
– به چه روشی تجهیزات در یک شبکه نمایش داده می‌شوند؟
– چگونه تجهیزات سازندگان مختلف در یک سامانه ی کنترلی قابل‌ استفاده هستند؟
– آیا تنظیمات تجهیزات در صورت تغییر توپولوژی شبکه تغییر پیدا می‌کنند؟
– چه نکاتی در هنگام تعویض تجهیزات باید مد نظر باشند؟
– ویرایش‌های مختلف سخت‌افزاری/نرم‌افزاری تجهیزات چگونه مدیریت می‌شوند؟
– در صورت ارتقاء سیستم‌عامل تجهیزات، چه مواردی را باید در نظر گرفت؟

۴-۲. تعویض قطعات
تمامی تجهیزات با درگاه اترنت دارای آدرس واحد MAC می‌باشند. آدرس MAC غیرقابل تغییر بوده و با تغییر تجهیزات این آدرس نیز تغییر می‌یابد. به همین جهت در تعویض قطعات در گروه B و C این مشکل را به روش‌های گوناگون حل می‌کنند. برای مثال در شبکه ی Profinet علاوه بر آدرس MAC به هر یک از تجهیزات یک نام تخصیص داده می‌شود و یا یک ID برای هر تجهیز در نظر گرفته می‌شود.
در هر صورت برای امر تعمیر و نگهداری تعویض قطعات اصل مهمی است که راحتی این امر از موارد شاخص انتخاب یک شبکه ی مناسب خواهد بود.
۴-۳. قابلیت عیب‌یابی
در صورت بروز خطا در کارکرد عادی یک شبکه، روش و چگونگی عیب‌یابی سریع آن از موارد مهم در انتخاب شبکه است. این امر در تمامی مراحل کاری یک سامانه ی کنترل یعنی در هنگام نصب و راه‌اندازی تا هنگام کارکرد عادی دستگاه و یا تغییرات در کل سامانه حائز اهمیت است. عیب‌یابی شبکه‌های اترنت می‌تواند در نرم‌افزار مهندسی سامانه ی کنترل به‌کار برده شده وجود داشته باشد و یا هر تجهیز به‌صورت جداگانه دارای قابلیت عیب‌یابی و نشان‌دهنده ی خطاها و عیوب باشد و یا از تجهیزات آنالیز شبکه جهت این امر بهره برد.
در شبکه‌های صنعتی معمولی غالباً در صورت بروز خطا باید کابل شبکه و اتصالات آن مورد بررسی قرار گیرد ولی در شبکه‌های اترنت صنعتی مشکلات معمولاً به‌صورت نرم‌افزاری و در لایه ی ۲ و یا لایه ی کاربرد جستجو می شود.
همچنین باید توجه نمود که در صورت استفاده از تجهیزات عیب‌یابی همانند آنالایزر، نیازی به داشتن تخصص و دانش فنی بالا در خصوص شبکه ی مورد استفاده وجود نداشته باشد و نتیجه ی داده‌های آنالایز شبکه به‌صورت ساده گویای خطای ایجاد شده باشد.
۴-۴. قابلیت کار با سایر شبکه‌ها
در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به گذر از شبکه‌های قدیمی به شبکه‌های جدید اترنت وجود دارد. به همین جهت لزوم وجود Gateway و یا Proxy در بازار جهت این امر ضروری است و این امر می‌تواند کمک مؤثری در کم نمودن هزینه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری بنماید.
۴-۵. قابلیت استفاده در شبکه ی IT درون‌سازمانی
ورود اترنت به دنیای صنعت مدیون استفاده از این شبکه در دنیای IT و استفاده ی گسترده از آن در ساختار درون‌سازمانی است. داشتن شبکه‌ای همگن از سطح تولید تا سطوح مدیریت و امکان ارتباط یکدست با نرم‌افزارهای MES و ERP از نقاط بارز استفاده اترنت در صنعت است.
اما وجود شبکه‌ای همگن که اجزای مورد استفاده در آن در بخش تولید و همچنین سایر بخش‌ها تقریباً یکسان باشد (سوییچ، Gateways و…) می‌تواند این سؤال را به وجود آورد که چه اجزایی به بخش کنترل تعلق دارند و چه تجهیزاتی مربوط به بخش IT یک سازمان است و متولی این تجهیزات چه کسانی می‌باشند و تا چه حد این مسؤولیت قابل‌تقسیم است.
۴-۶. گستردگی در بازار و عرضه‌کنندگان متنوع
بهترین شبکه ی اترنت صنعتی قابل ‌استفاده نمی‌باشند مگر تجهیزات ارایه ‌شده برای آن در بازار وجود داشته و تنوع عرضه‌کنندگان در حد قابل قبول باشد. تعداد عرضه‌کنندگان محصولات مختلف با یک شبکه ی اترنت صنعتی خاص می‌تواند معیار مناسبی برای انتخاب باشد.
البته تنوع زیاد عرضه‌کنندگان گاهی باعث می‌شود که محصولات ارایه شده در کار با شبکه ی مورد نظر دچار مشکل و یا خطا شوند. به همین جهت گواهی انطباق و کارکرد صحیح با هر شبکه برای تجهیزات ضروری به نظر می‌رسد، اگرچه اجباری نیست. وجود گواهینامه‌ای از مؤسسات معتبر می‌تواند عاملی برای صحت انتخاب باشد.
۵. آینده ی شبکه‌های اترنت صنعتی و خلاصه مطالب
شبکه‌های اترنت صنعتی راه خود را در صنعت باز نموده‌اند و استفاده از آن‌ها روزافزون گشته است. ایده‌ها و فناوری‌های جدید نیز همواره در نمایشگاه‌های صنعتی عرضه و در انتظار اقبال مصرف‌کنندگان می‌باشند.
در حال حاضر روند تکامل این شبکه‌ها استفاده در مصارف ایمنی است و تمرکز سازندگان شبکه‌های اترنت صنعتی ورود به این بازار است.
با توجه به مطالب گفته‌شده، شبکه های معروف اترنت در حیطه ی صنعت با توجه به برخی از مشخصات فنی خود به‌صورت شش جدول مقایسه-ای در کنار همدیگر قرار گرفته‌اند تا خوانندگان در یک نگاه و با توجه به معیارهای مورد توجه خود، دید کلی نسبت به توانایی‌های هر یک از شبکه های مورد مقایسه به دست آورند. جداول ارایه ‌شده از مقاله ی منتشر شده توسط انجمن EtherCAT پیرامون شبکه‌های اترنت صنعتی برگرفته شده‌اند که علاوه مقایسه ی اجمالی آن‌ها به‌تفصیل مشخصات فنی و چگونگی کارکرد هر یک از شبکه‌های مورد اشاره در آن نوشته شده است. دانلود این مقاله از طریق لینک ارایه شده در فهرست منابع میسر است.
علایم بکار برده شده در جداول با توجه موارد مورد مقایسه می‌توانند معنای زیر را داشته باشند:
+ مناسب، زیاد و یا خوب است که تعداد آن گویای شدت است.
– نامناسب، کم و یا بد است که تعداد آن گویای شدت است.
O معمولی و یا متوسط است.

 

 

 

 

 

 


منابع:
۱- Industrielle Kommunikation mit Feldbus und Ethernet
19. Kapitel: Vergleich der Ethernet-Systeme
von Professor Dr. Frithjof Klasen

2- Industrial Ethernet Technologies
from EtherCAT Technology Group
http://www.ethercat.org/download/documents/Industrial_Ethernet_Technologies.pdf

برگردان: شاهین امیر قاسمی
sh.amirghasemi@chmail.ir

درباره مدیر سایت

دیدگاهتان را بنویسید

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