اطلاعاتی که به شبکه وارد می‌شوند باید بدون تغییر و صحیح به مقصد مورد نظر برسند. در دسترس بودن شبکه پیچیده‌تر از کارکرد صحیح است. زیرا فقط در مورد انتقال صحیح اطلاعات نیست و شرایط فیزیکی نیز در آن سهیم هستند. با استفاده از روش افزونگی می‌توان قابلیت در دسترس بودن شبکه را افزایش داد. در این مقاله به چهار گونه افزونگی با استفاده از شبکه‌‌‌ی Profinet اشاره خواهد شد و توانایی این شبکه برای کاربردهای مختلف توضیح داده می‌شود.
مقدمه
شبکه‌های صنعتی باید دو شرط اصلی را دارا باشند: انتقال صحیح دادهها و در دسترس بودن. اطلاعاتی که به شبکه وارد می‌شوند باید بدون تغییر و صحیح به مقصد مورد نظر برسند و این امر از وظایف ذاتی هر شبکه است و ارجحیت نسبت به سایر موارد دارد. در دسترس بودن شبکه پیچیده‌تر از کارکرد صحیح است. زیرا فقط در مورد انتقال صحیح اطلاعات نیست و شرایط فیزیکی نیز در آن سهیم هستند. با استفاده از روش افزونگی[i] می‌توان قابلیت در دسترس بودن شبکه را افزایش داد و با اضافه کردن برخی سخت‌افزار یا قابلیت‌ها، ارسال دادهها حتی در مواردی که مشکلی در شبکه ایجاد شود، تضمین کرد. در این مقاله به چهار گونه افزونگی با استفاده از شبکه‌‌‌ی Profinet اشاره خواهد شد و توانایی این شبکه برای کاربردهای مختلف توضیح داده می‌شود.
۱-انواع افزونگی با استفاده از شبکه‌‌‌ی Profinet
در شبکه‌های اتوماسیون صنعتی تجهیزات زیادی وجود دارند که عدم کارکرد صحیح آنها باعث از کار افتادن شبکه می‌شود. برخی از روش‌های افزونگی پیچیده یا پرهزینه هستند که در نهایت نیاز استفاده‌کننده و فرآیند انتخاب نوع افزونگی را تعیین میکند. همان‌طور که قبلاً بدان اشاره شد چهار نوع افزونگی با Profinet متصور است: افزونگی کابل شبکه[ii]، افزونگی در سطح کنترلکنندهی شبکه[iii]، افزونگی تجهیزات متصل به شبکه[iv] و افزونگی خود شبکه[v].
۱-۱-افزونگی در تجهیزات متصل به شبکه
در این نوع از افزونگی یک کنترلکنندهی شبکه به دو تجهیز (مانند remote I/O) متصل می‌شود (شکل ۱). کنترلکنندهی شبکه ارتباط هم‌زمان با هر دو کارت را دارد و اطلاعات خروجی یکسان به هر دو ارسال میکند. در این حالت اطلاعات ارسالی به تجهیز دوم به عنوان «غیرقابل استفاده نشانه‌گذاری» شده است و فقط اطلاعات ارسالی به تجهیز اولی «قابل استفاده» است. هنگامی که کنترلکننده متوجه مشکلی در ارسال اطلاعات به تجهیز اولی گردد تنها کاری که کنترلکننده انجام می‌دهد این است که اطلاعات ارسالی به تجهیز دوم را «قابل استفاده» نشانه‌گذاری میکند و بدون وقفه کارت دوم اطلاعات فرآیند را دریافت میکند. این نوع افزونگی با هر نوع تجهیز متصل به Profinet قابل اجرا است. کنترل‌کننده‌های شبکه معمولاً این نوع افزونگی را با برخی قابلیت‌ها یا برنامه‌های خاص (API[vi]) پشتیبانی می‌کنند.
۲-۱-افزونگی در سطح کنترلکنندهی شبکه
شبکه با کنترلکنندهی افزونگی بیشتر از یک کنترلکننده متصل به یک تجهیز است. هنگامی که دو کنترلکنندهی شبکه (مانند یک PLC با دوعدد CPU افزونگی یا کارت شبکه) وجود دارد کنترلکنندهی اولیه نقش اصلی را برای ارسال دادهها دارد و کنترلکنندهی دوم نقش پشتیبان را دارد (شکل ۲). در حالت عادی خروجی کنترلکنندهی پشتیبان (ثانویه) «غیر قابل استفاده» است و امکان تغییر در تجهیز متصل به خود را ندارد. هنگامی که کنترلکنندهی اولیه از کار بیافتد، تجهیز هنوز اجازه‌ی استفاده از کنترلکنندهی دوم به عنوان کنترلکنندهی اصلی را ندارد. در این حالت تجهیز متصل به کنترل کننده‌‌‌ی دوم باید منتظر باشد تا نقش اولیه را آن بر عهده بگیرد. کنترل کننده‌‌‌ی دوم وظیفه‌‌‌ی هماهنگی بین کلیه‌‌‌ی تجهیزات متصل به شبکه برای این مرحله‌‌‌ی گذر را دارد و تجهیزات نقشی ندارند. افزونگی در سطح کنترلکننده نیاز به برخی تمهیدات برای هماهنگی بین تجهیزات و کنترل کننده‌ها را دارد و به همین دلیل پیچیده‌تر و گران‌تر هستند و هر تجهیز یا کنترل‌کننده‌ای این نوع از افزونگی را پشتیبانی نمی‌کند.
۳-۱-افزونگی کابل شبکه
این نوع از افزونگی کمک میکند که شبکه با اطمینان بیشتری در دسترس باشد. شایع‌ترین مورد قطع ارتباط شبکه‌ای آسیب‌دیدن کابل شبکه در سطح فیلد است. شبکه‌‌‌ی Profinet به صورت ذاتی از پروتکل افزونگی MRP[vii] پشتیبانی میکند و نیاز به سایر تمهیدات نرم‌افزاری ندارد.
این نوع افزونگی در سطح اترنت سوئیچ‌های مورد استفاده و به صورت حلقوی[viii] قابل پیاده‌سازی است و حتماً باید از سوئیچ‌های نوع مدیریت شده[ix] که پروتکل MRP را پشتیبانی می‌کنند، استفاده کرد. در این حالت در صورت قطع شدن کابل ارتباطی در یک نقطه، شبکه بلافاصله توسط سازوکار مدیریت افزونگی شبکه که داخل اترنت سوئیچ وجود دارد، از مسیر دیگر ارتباط را برقرار می‌سازد. این نوع افزونگی فقط در مورد رفع مشکل کابل شبکه بوده و شامل از کار افتادن سخت‌افزار نمی‌شود.
۴-۱-افزونگی شبکه
در این نوع از افزونگی در صورت از کار افتادن یک مسیر شبکه به علت قطع کابل شبکه یا از کارافتادن کارت شبکه‌‌‌ی تجهیز متصل به Profinet اطلاعات از طریق مسیر دوم به تجهیز متصل به کنترلکننده می‌رسد. در شکل‌های شماره‌‌‌ی ۳ و ۴ این موضوع و تفاوت آن با افزونگی کابل شبکه به صورت گرافیکی نشان داده شده اند.
در شکل شماره‌‌‌ی ۵ همه‌‌‌ی چهار مورد افزونگی توضیح داده‌شده، به‌صورت گرافیکی نشان داده شده است.
امکان تلفیق این چهار نوع افزونگی با هم نیز وجود دارد و می توان انواع ساختار افزونگی مورد نیاز را پیاده‌سازی نمود. در شکل‌های شماره‌‌‌ی ۶ و ۷ دو مورد از این نوع تلفیق نشان داده شده‌اند.
۲-قابلیت تلفیق انواع افزونگی و اختصارات مورد استفاده
افزونگی در بسیاری از کاربردها مورد نیاز است. چهار کلمه به عنوان اختصار برای انواع افزونگی در انجمن Profinet و Profibus تعریف شده‌اند: S1, S2, R1 & R2
کلمه‌‌‌ی S مخفف Single و کلمه‌‌‌ی R برای Redundant برای تجهیزات متصل به شبکه ([x]NAP) استفاده می‌شود. اعداد بعد از این کلمات نشان‌دهنده‌‌‌ی تعداد AR[xi] است که از NAP پشتیبانی می‌کنند. برای سادگی در درک مفاهیم می‌توان NAP را در این نوشتار به‌عنوان کارت شبکه‌‌‌ی یک remote I/O و AR را برنامه‌ای در کارت کنترلکنندهی شبکه فرض نمود. مفهوم دقیق AR در پاورقی توضیح داده شده است.
۱-۲-ساختار S1
در این ساختار یک AR به یک NAP متصل شده است و هیچ‌گونه افزونگی وجود ندارد و ساده‌ترین نوع ارتباط شبکه‌ای است (شکل۸).
۲-۲-ساختار S2
این ساختار همان افزونگی در سطح کنترلکنندهی شبکه است (شکل ۲).
۳-۲-ساختار R1
در ساختار R1 از افزونگی در سطح کنترلکنندهی شبکه و همچنین تجهیز متصل به آن استفاده شده‌است (شکل ۹). در حقیقت یک تجهیز I/O با دو کارت شبکه‌‌‌ی مجزا (افزونگی) به دو کنترلکنندهی شبکه و هر کدام با یک AR از دو مسیر مختلف متصل شده‌اند. مزیت ساختار R1 در این است که یک remote I/O با دو کارت شبکه‌‌‌ی مجزا و در مسیر مختلف با سامانهی کنترلی تبادل اطلاعات میکند. در حالتی که مشکلی در کارت‌ها (در هر دو سمت) یا کابل شبکه ایجاد شود، کلیه‌‌‌ی دادهها و اطلاعات مربوط به وضعیت کارت‌ها در سامانه باقی می‌ماند و ارتباط از مسیر دیگر برقرار می‌شود.
۴-۲-ساختار R2
در این نوع از افزونگی، همان‌طور که در شکل شماره‌‌‌ی ۱۰ دیده می‌شود، یک remote I/O یا تجهیز دارای دو کارت شبکه‌‌‌ی مجزا هست که هریک از کارت‌ها به صورت افزونگی با یک کنترلکنندهی شبکه ولی با دو AP مجزا در ارتباط است. در این نوع ساختار ۴ عدد AR وجود دارد که امکان از کار افتادن شبکه بعید و وقت درفقط صورتی حادٍ می‌شود که هم‌زمان هر دو کنترلکننده و / یا کارت‌های شبکه‌‌‌ی تجهیز متصل به Profinet دچار مشکل شوند. ساختار R2 به علت پیچیده‌بودن و همچنین هزینهی زیاد کمتر در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۳-خلاصه
شبکه‌‌‌ی Profinet با توجه به مشخصات اشاره شده تمامی نیازهای اتوماسیون صنعتی را در صنایع تولیدی و فرآیندی در زمان حال و آینده برآورده میکند. با توجه به قابلیت انعطاف در استفاده از این شبکه به صورت ساده یا افزونگی در انواع مختلف و همچنین تلفیق آنها، Profinet را به راه حل مناسب برای تمامی کاربردها تبدیل نموده است.
[i] Redundancy
[ii] Media Redundancy
[iii] Controller Redundancy
[iv] Device Redundancy
[v] Network Redundancy
[vi] Application Programming Interface
[vii] Media Redundancy Protocol
[viii] Ring
[ix] managed
[x] Network Access Point
[xi] Application Relationship (PROFINET structure that contains communication relationships. The types of ARs are IO supervisor (IOS), IO controller (IOC), IO device (IOD) and Implicit relationship).
