بارق - بررسی پروتکل‌های ارتباط صنعتی: اترنت، مدباس، پروفیباس و CANopen و نقش آن‌ها در اتوماسیون

1- اترنت در شبکه های صنعتی

اترنت، یک فناوری شبکه ای فراگیر که به طور گسترده در محیط های اداری و خانگی استفاده می شود، همچنین نفوذ قابل توجهی به کاربردهای صنعتی داشته است. استانداردهای اترنت صنعتی مانند Ethernet/IP، PROFINET و EtherCAT قابلیت های ارتباطی قوی و پرسرعت مناسب برای محیط های صنعتی پر تقاضا را ارائه می دهند. ویژگی های کلیدی اترنت در شبکه های صنعتی عبارتند از:

پهنای باند بالا: اترنت قابلیت های ارتباطی با سرعت بالا را فراهم می کند و امکان تبادل سریع داده ها را بین دستگاه ها و سیستم ها در برنامه های اتوماسیون صنعتی فراهم می کند. اترنت با سرعت داده از 10 مگابیت در ثانیه تا 10 گیگابیت در ثانیه، از کنترل، نظارت و همگام سازی فرآیندهای صنعتی در زمان واقعی پشتیبانی می کند.

مقیاس‌پذیری: شبکه‌های اترنت را می‌توان به راحتی مقیاس‌بندی کرد تا تعداد زیادی دستگاه و گره را در خود جای دهد و آنها را برای سیستم‌های صنعتی پیچیده با معماری‌های کنترل توزیع شده مناسب می‌سازد. سوئیچ‌های اترنت و روترها یکپارچه‌سازی یکپارچه دستگاه‌ها را در چندین بخش شبکه امکان‌پذیر می‌کنند و معماری‌های شبکه انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر را تسهیل می‌کنند.

قابلیت همکاری: استانداردهای اترنت صنعتی مانند Ethernet/IP و PROFINET از استانداردهای باز و قابل همکاری تبعیت می کنند و به دستگاه های سازنده مختلف اجازه می دهند تا به صورت یکپارچه با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و تبادل کنند. این قابلیت همکاری بی طرفی، انعطاف پذیری و سازگاری فروشنده را در سیستم های اتوماسیون صنعتی ارتقا می دهد.

ارتباط قطعی: برخی از پروتکل‌های اترنت صنعتی مانند EtherCAT و Powerlink از ارتباطات قطعی پشتیبانی می‌کنند و از انتقال داده‌های قابل پیش‌بینی و قابل اعتماد با تأخیر و لرزش کم اطمینان می‌دهند. اترنت قطعی همگام سازی دقیق سیستم های کنترل توزیع شده، برنامه های کاربردی کنترل حرکت و وظایف نظارت بر زمان واقعی را امکان پذیر می کند.

* کاربردهای اترنت در شبکه‌های صنعتی طیف وسیعی از صنایع از جمله خودروسازی، صنایع فرآیندی، مدیریت انرژی و کارخانه‌های هوشمند را در بر می‌گیرد. اترنت برای کنترل ارتباطات سیستم، جمع آوری داده ها، کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA) و نظارت از راه دور در برنامه های اتوماسیون صنعتی استفاده می شود.

2- پروتکل Modbus

Modbus یک پروتکل ارتباطی سریال پرکاربرد است که در سیستم های اتوماسیون صنعتی برای انتقال داده ها بین دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. Modbus که در اواخر دهه 1970 توسط Modicon (اکنون اشنایدر الکتریک) توسعه یافت، به یک پروتکل استاندارد تبدیل شد که توسط تولید کنندگان و سازمان های متعدد پشتیبانی می شود. ویژگی های کلیدی پروتکل Modbus عبارتند از:

سادگی: Modbus یک پروتکل ساده و سبک وزن با ساختار قاب ساده است که پیاده سازی و استقرار آن را در برنامه های صنعتی آسان می کند. پیام‌های مدباس شامل کدهای عملکرد، فیلدهای داده و مکانیسم‌های بررسی خطا هستند که ارتباط مؤثر بین دستگاه‌ها را ممکن می‌سازد.

انعطاف پذیری: Modbus از حالت های ارتباطی متعدد، از جمله سریال (RS-232/RS-485) و انواع مبتنی بر اترنت (Modbus TCP) پشتیبانی می کند. این انعطاف‌پذیری به Modbus اجازه می‌دهد تا در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های صنعتی از جمله PLC، پانل‌های HMI، سنسورها، محرک‌ها و سیستم‌های SCADA استفاده شود.

سازگاری: Modbus به دلیل ماهیت باز و خنثی از فروشنده، از سازگاری گسترده با مجموعه وسیعی از تجهیزات صنعتی برخوردار است. کتابخانه‌ها، درایورها و ابزارهای Modbus برای زبان‌ها و پلتفرم‌های برنامه‌نویسی مختلف در دسترس هستند و ادغام یکپارچه با سیستم‌های اتوماسیون موجود را تسهیل می‌کنند.

مقرون به صرفه بودن: Modbus یک راه حل ارتباطی مقرون به صرفه برای کاربردهای صنعتی است که تعادلی بین عملکرد و مقرون به صرفه بودن ارائه می دهد. Modbus با حداقل نیازهای سخت افزاری و نرم افزاری، اجرای مقرون به صرفه شبکه های ارتباطی را در محیط های صنعتی امکان پذیر می کند.

* کاربردهای پروتکل Modbus طیف متنوعی از صنایع، از جمله تولید، نفت و گاز، آب و برق، اتوماسیون ساختمان و حمل و نقل را در بر می گیرد. Modbus برای کنترل نظارتی، جمع آوری داده ها، نظارت بر فرآیند، کنترل تجهیزات و نظارت از راه دور در اتوماسیون صنعتی و سیستم های کنترل استفاده می شود.

3- پروتکل Profibus

Profibus (Process Field Bus) یک پروتکل ارتباطی فیلدباس است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد که در سیستم های اتوماسیون صنعتی برای تبادل داده با سرعت بالا و قطعی بین دستگاه ها استفاده می شود. Profibus که در دهه 1990 توسط سازمان کاربران Profibus (PNO) توسعه یافت، به یک استاندارد واقعی در صنایع فرآیند، تولید و اتوماسیون کارخانه تبدیل شده است. ویژگی های کلیدی پروتکل Profibus عبارتند از:

عملکرد بالا: Profibus قابلیت‌های ارتباطی با سرعت بالا را ارائه می‌دهد و از نرخ داده تا 12 مگابیت در ثانیه برای Profibus DP (محیط غیرمتمرکز) و 45 مگابیت در ثانیه برای Profibus PA (اتوماسیون فرآیند) پشتیبانی می‌کند. این عملکرد بالا، Profibus را برای کاربردهای صنعتی با نیازهای زمان بندی دقیق مناسب می کند.

ارتباط قطعی: Profibus ارتباط قطعی با زمان تحویل پیام تضمین شده را تضمین می کند و امکان همگام سازی و هماهنگی دقیق سیستم های کنترل توزیع شده را فراهم می کند. Profibus DP از مکانیسم‌های ارتباطی ارسال رمز و ارباب برده برای اولویت‌بندی و زمان‌بندی انتقال داده‌ها استفاده می‌کند و از کنترل و نظارت در زمان واقعی اطمینان می‌دهد.

انعطاف پذیری: Profibus از طیف گسترده ای از دستگاه ها، از جمله PLC ها، حسگرها، محرک ها، درایوها و ابزارهای میدانی پشتیبانی می کند که آن را برای کاربردهای صنعتی متنوع مناسب می کند. Profibus DP معمولا برای اتوماسیون کارخانه و تولید گسسته استفاده می شود، در حالی که Profibus PA برای اتوماسیون فرآیند و ابزار دقیق میدانی ترجیح داده می شود.

عیب‌یابی و تعمیر و نگهداری: Profibus قابلیت‌های عیب‌یابی گسترده‌ای را ارائه می‌دهد که به کاربران امکان می‌دهد سلامت شبکه را نظارت کنند، خطاها را شناسایی کنند و مشکلات را در زمان واقعی عیب‌یابی کنند. ابزارهای تشخیصی Profibus، مانند ProfiTrace و ProfiHub، تجزیه و تحلیل جامع عملکرد شبکه، کیفیت سیگنال و وضعیت دستگاه را امکان‌پذیر می‌کنند و تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و تشخیص عیب را تسهیل می‌کنند.

* کاربردهای پروتکل Profibus صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، فرآوری شیمیایی، داروسازی و تصفیه آب را در بر می گیرد. Profibus برای کنترل فرآیند، کنترل ماشین، مدیریت دارایی و جمع آوری داده ها در سیستم های اتوماسیون صنعتی استفاده می شود.

4- پروتکل CANopen

CANopen یک پروتکل لایه بالاتر مبتنی بر فناوری گذرگاه شبکه کنترل کننده (CAN) است که به طور گسترده در اتوماسیون صنعتی و سیستم های تعبیه شده برای ارتباط بین دستگاه ها و گره ها استفاده می شود. CANopen که در دهه 1990 توسط CiA (CAN در اتوماسیون) توسعه یافت، یک چارچوب ارتباطی استاندارد برای سیستم های کنترل توزیع شده ارائه می دهد. ویژگی های کلیدی پروتکل CANopen عبارتند از:

کنترل توزیع‌شده: CANopen معماری‌های کنترل توزیع‌شده را فعال می‌کند، جایی که چندین دستگاه و گره برای انجام کارهای پیچیده با هم ارتباط برقرار می‌کنند و با هم همکاری می‌کنند. شبکه‌های CANopen از چندین گره تشکیل شده‌اند که هر کدام مجهز به پشته CANopen و عملکردهای خاص دستگاه هستند که کنترل و هماهنگی غیرمتمرکز را امکان‌پذیر می‌سازد.

ارتباطات شی گرا: CANopen یک مدل ارتباطی شی گرا را اتخاذ می کند، که در آن داده ها در اشیاء از پیش تعریف شده با ویژگی ها و عملکردهای استاندارد سازماندهی می شوند. اشیاء CANopen، مانند اشیاء داده پردازش (PDO)، اشیاء داده خدمات (SDO) و نمایه‌های دستگاه، تبادل یکپارچه داده‌ها و دستورات را بین دستگاه‌ها امکان‌پذیر می‌سازند.

ادغام CANopen :Plug-and-Play به لطف پروفایل های استاندارد دستگاه و پروتکل های ارتباطی، ادغام پلاگین و بازی دستگاه ها را در سیستم های اتوماسیون موجود تسهیل می کند. دستگاه‌های CANopen به پروفایل‌های دستگاه CiA پایبند هستند، که عملکرد دستگاه، پارامترهای ارتباطی و نقشه‌برداری داده‌ها را تعریف می‌کنند و از قابلیت همکاری و سازگاری بین تولیدکنندگان مختلف اطمینان می‌دهند.

ارتباطات بلادرنگ: CANopen از ارتباطات بلادرنگ با انتقال پیام قطعی و تأخیر کم پشتیبانی می کند و آن را برای کاربردهای حساس زمانی در اتوماسیون صنعتی مناسب می کند. شبکه‌های CANopen از حالت‌های ارتباطی چرخه‌ای و رویداد محور برای اولویت‌بندی و زمان‌بندی انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند و از تحویل به موقع داده‌های حیاتی اطمینان می‌دهند.

* کاربردهای پروتکل CANopen طیف وسیعی از صنایع از جمله خودروسازی، هوافضا، رباتیک و تجهیزات پزشکی را در بر می گیرد. CANopen برای کنترل حرکت، بینایی ماشین، رباتیک، کنترل تعبیه شده و اتوماسیون فرآیند در سیستم های صنعتی و تعبیه شده استفاده می شود.

نتیجه

در نتیجه، اترنت، Modbus، Profibus و CANopen پروتکل‌های ارتباطی صنعتی کلیدی هستند که به طور گسترده در سیستم‌های تولید و اتوماسیون مدرن استفاده می‌شوند. هر پروتکل ویژگی‌ها، مزایا و کاربردهای منحصربه‌فردی را ارائه می‌کند که نیازهای صنعتی و موارد استفاده مختلف را برآورده می‌کند. شبکه‌های صنعتی چه ارتباط پرسرعت، سادگی، جبرگرایی یا انعطاف‌پذیری باشد، شبکه‌های صنعتی به این پروتکل‌ها تکیه می‌کنند تا اتصال، تبادل داده و قابلیت همکاری بین دستگاه‌ها و سیستم‌ها را امکان‌پذیر کنند. همانطور که صنایع همچنان به استقبال دیجیتالی شدن و اتوماسیون ادامه می دهند، اهمیت پروتکل های ارتباطی قوی و قابل اعتماد مانند اترنت، مدباس، پروفیباس و CANopen تنها به رشد خود ادامه خواهد داد و باعث ایجاد نوآوری، کارایی و رقابت در چشم انداز صنعتی می شود.