انواع شبکه های صنعتی در plc

آشنایی با ماهیت و انواع شبکه های صنعتی plc برای مهندسان، تکنسین ها و مدیران در سطوح مختلف از صنعت برق ضروری است. در این نوشته آموزشگاه فن و کار ابتدا شبکه های صنعتی را به طور مختصر معرفی کرده و درباره اهمیت آن ها در اتوماسیون توضیح می دهیم. در بخش های بعدی مطلب، به بررسی انواع مختلف این شبکه ها و معیارهایی که باید برای انتخاب شبکه های پی ال سی در صنایع و پروژه های مختلف در نظر گرفته شوند؛ می پردازیم.

برای یادگیریِ تخصصی و عملی مباحث تشریح شده در این مقاله؛ در دوره های تخصصی آموزش PLC موسسه فن و کار و دیگر کلاس های هم موضوع آن مانند آموزش برق صنعتی ، آموزش تابلو برق صنعتی (تک فاز و سه فاز) و … شرکت نمایید. تمرکز دوره های نام برده شده، بر تدریسِ اصولی و حرفه ایِ الزامات و استانداردهای اتوماسیون صنعتی در دنیای مدرن است و دانش و اطلاعات به روز و کاملی را در خصوص پروتکل های ارتباطی، توپولوژی شبکه، راه اندازی و پیکربندی تجهیزات برقی و الکتریکی پر کاربرد در صنایع و … در اختیار شرکت کنندگان قرار می دهند. برای مشاهده سرفصل های کامل و جزئیات بیشتر دوره پی ال سی روی تصویر زیر کلیک نمایید:

شبکه صنعتی چیست؟

به طور ساده اگر بخواهیم بگوییم؛ این شبکه های پر کاربرد و سودمند، شبکه های ارتباطی اختصاصی هستند که برای اتصال تجهیزات و لوازمِ مهم برق صنعتی از جمله کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی به یکدیگر، سیستم ها و دستگاه های ورودی/خروجی، رابط های انسان – ماشین (HMI) و سایر تجهیزات اتوماسیون طراحی شده اند. این شبکه ها با استفاده از پروتکل های ارتباطی خاص و توپولوژی های شبکه متنوع، تبادل اطلاعات را در محیط های صنعتی (دارای تداخل و نویز زیاد) تسهیل می کنند.

اهمیت شبکه های صنعتی

همان طور که از تعریف قبلی مشخص است؛ این شبکه ها مزایای متعددی را برای فرآیندهای اتوماسیون صنعتی به ارمغان می آورند که برخی از مهم ترینِ این مزیت ها عبارت اند از:

• افزایش کارایی: این نوع شبکه ها اشتراک گذاری اطلاعات در زمان واقعی (به طور همزمان با اجرای فعالیت ها) بین اجزای سیستم را امکان پذیر می کنند و به اپراتورها و تکنسین های برق صنعتی دید کاملی از فرآیند در حال انجام را ارائه می دهند. این امر بدون شک منجر به تصمیم گیری سریع تر، عیب یابی کارآمدتر و افزایش کلی کارایی می شود.
• کاهش هزینه ها: این مدل شبکه ها با نیاز به کابل کشی کمتر و برخورداری از اتصالات ساده تر، هزینه های نصب و نگهداری را کاهش می دهند. علاوه بر این، با بهینه سازی فرآیندها و کاهش زمان مورد نیاز برای عیب یابی و تعمیر، می توانند منجر به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها شوند.
• قابلیت اطمینان بالا: شبکه های صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی برای کار در محیط های پر چالش و متنوعِ صنعتی با نویز بالا و لرزش، طراحی شده اند. این شبکه ها از پروتکل های ارتباطی مقاوم و توپولوژی های شبکه حلقوی، مشبک و … استفاده می کنند که این موضوع، در صورت خرابی یک گره، به عملکرد مداوم سیستم کمک می کنند.
• انعطاف پذیری: این قبیل شبکه ها به راحتی قابل گسترش و پیکر بندی مجدد هستند تا با نیازهای متغیر فرآیندهای اتوماسیون مطابقت داشته باشند و این امر این شبکه ها را به سرمایه گذاری های ایده آل برای سیستم های در حال رشد یا در حال تکامل تبدیل می کند.

دسته بندی شبکه های صنعتی

حال که متوجه شدیم شبکه های صنعتی چه هستند و چه فواید و کاربردهای متنوعی دارند؛ بیایید انواع این شبکه ها را بهتر بشناسیم. در ابتدا باید بگوییم؛ با توجه به گستردگی و تعدد شبکه های صنعتی مربوط به کنترل کننده های منطقی، دسته بندی کردن آن ها بر اساس معیارهای مختلفی صورت می گیرد و این امر می تواند در درک بهتر عملکرد و کاربردشان بسیار مفید باشد. ما در این بخش از مقاله، چهار معیار کلیدی برای دسته بندی شبکه های صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی در نظر گرفته ایم که عبارت اند از:

• با توجه به نوع رسانه انتقال: شبکه های پی ال سی مبتنی بر سیم و بی سیم
• بر اساس نوع توپولوژی شبکه : شبکه هایی با توپولوژی خطی، حلقوی و ستاره ای و …
• با در نظر گرفتن نوع پروتکل ارتباطی : شبکه هایی با پروتکل Modbus و EtherNet/IP و …
• بر مبنای سطح کاربرد: شبکه هایی در سطح دستگاه، کنترل و اطلاعات و …

در قسمت بعدی بررسی می کنیم که منظور ما از هر معیار دسته بندی که نام برده شد، دقیقا چیست و کدام شبکه های صنعتی پی ال سی در هر یک از این دسته بندی ها قرار می گیرند؛ پس با ما همراه باشید.

شبکه های plc با توجه به نوع رسانه انتقال

در شبکه های صنعتی، رسانه انتقال به روشی گفته می شود که سیگنال های داده بین دستگاه های مختلف شبکه منتقل می شوند. این رسانه ها می توانند سیمی یا بی سیم باشند که هر کدام مزایا و معایب خاص خودشان را دارند.

رسانه های انتقال مبتنی بر سیم

در شبکه های سیمی، سیگنال های داده از طریق کابل های فیزیکی بین دستگاه ها منتقل می شوند و این کابل ها می توانند مسی، فیبر نوری یا در انواع دیگری باشند.

• کابل های زوج به هم تابیده (پیچیده): این نوع کابل رایج ترین نوع رسانه انتقال در شبکه های صنعتی است. زوج به هم تابیده، در واقع از دو رشته سیم مسی عایق شده تشکیل شده است که به دور یکدیگر تابیده شده اند. این تابیدن به کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کمک می کند. کابل های زوج به هم تابیده در دو نوع محافظ دار (STP) و بدون محافظ (UTP) در بازار موجود هستند.
• کابل های کواکسیال: این نوع کابل از هادی مرکزی مسی احاطه شده توسط یک لایه عایق و یک روکش محافظ تشکیل شده است. کابل های کواکسیال با داشتن قیمت بالاتر و حجم بیشتر؛ پهنای باند بالاتری نسبت به کابل های زوج به هم تابیده ارائه می دهند و برای انتقال داده های حجیم مانند تصاویر و ویدئو مناسب هستند.
• فیبر نوری: این نوع کابل از رشته های نازک شیشه یا پلاستیک برای انتقال نور استفاده می کند. فیبر نوری، قابلیت هایی مثل پهنای باند بسیار بالا، مسافت های انتقال طولانی و مقاومت در برابر نویز الکتریکی را در اختیار کاربران قرار می دهد. البته، بنا به نظر متخصصان و آمارها؛ فیبر نوری معمولا گران تر و شکننده تر از کابل های مسی است.

مثال هایی از شبکه های صنعتی مبتنی بر سیم

• شبکه Profibus : این شبکه یک شبکه فیلدباس محبوب است که از کابل های زوج به هم تابیده یا فیبر نوری برای انتقال داده ها استفاده می کند و برای کاربردهایی که نیاز به نرخ انتقال داده بالا و قابلیت اطمینان عالی دارند؛ مانند اتوماسیون فرآیند، مناسب است.
• شبکه Modbus : یک شبکه سریال محبوب است که از کابل های RS-485 برای انتقال داده ها استفاده می کند و برای مصارف ساده تر در حوزه اتوماسیون، مانند کنترل موتورها و سنسورها، ایده آل محسوب می شود.
• شبکه DeviceNet : یک شبکه نیز مانند Profibus شبکه ای فیلدباس است که از کابل های زوج به هم تابیده برای انتقال داده ها بهره می گیرد و برای پروژه هایی که نیاز به اتوماسیون توزیع شده دارند؛ مانند خطوط مونتاژ، انتخاب مناسبی به شمار می رود.

رسانه های انتقال بی سیم

شبکه های صنعتی بی سیم خود دارای انواع مختلفی هستند و سیگنال های داده را از طریق امواج رادیویی یا مادون قرمز بین دستگاه ها منتقل می کنند. دو مدل بسیار رایج از این شبکه ها عبارت اند از:

• شبکه های Wi-Fi صنعتی: این شبکه ها از امواج رادیویی برای اتصال دستگاه هایکنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی، سنسورها و اکچویتور ها استفاده می کنند و برای پروژه هایی که سیم کشی در آن ها دشوار یا غیر ممکن است (مانند مناطق جغرافیایی خطرناک یا ماشین های آلات متحرک و …) ایده آل هستند.
• شبکه های سلولی: برای مواردی که به اتصالات راه دور یا سیار نیاز دارند؛ مانند خطوط لوله، شبکه های برق و مزارع و …، مناسب هستند و از شبکه های تلفن همراه برای اتصال دستگاه های پی ال سی، سنسورها و اکچویتور ها بهره برداری می کنند.

مثال هایی از شبکه های صنعتی PLC بی سیم

• شبکه ISA100 : یک شبکه بی سیم استاندارد برای صنعت و اتوماسیون است که از فرکانس های رادیویی برای انتقال داده ها استفاده می کند و در مواردی که نیاز به تحرک و قابلیت اطمینان بالا دارند، مانند اتوماسیون میدان های نفت و گاز، به کار می رود.
• شبکه WirelessHART : برای پروژه هایی که نیاز به اتوماسیون کم مصرف دارند، مانند شبکه های آب و فاضلاب، مورد استفاده قرار می گیرد. به علاوه؛ گفتنی است که این شبکه ( مانند ISA100 ) یک شبکه بی سیم استاندارد در حوزه برق صنعتی است که از فرکانس های نوع رادیویی برای انتقال داده ها از دستگاه های میدانی به سیستم های کنترل بهره برداری می کند.

شبکه های پی ال سی بر اساس نوع توپولوژی شبکه

در صنعت برق و اتوماسیون، توپولوژی شبکه به چگونگی اتصال دستگاه ها به یکدیگر و نحوه تبادل اطلاعات بین آن ها اشاره دارد. انتخاب توپولوژی مناسب برای یک شبکه صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی به عوامل مختلفی از جمله تعداد دستگاه ها، نوع داده ها، الزامات عملکردی و بودجه بستگی دارد که توضیح مفصل در مورد هر کدام از آن ها در این مقاله نمی گنجد.

• شبکه هایی با توپولوژی خطی یا Bus :  در این توپولوژی، تمام دستگاه ها و کنترل کننده های منطقی به یک کابل مرکزی متصل می شوند. این روش اتصال، ساده ترین و ارزان ترین توپولوژی است، اما در عین حال کمترین قابلیت اطمینان را نیز دارد؛ چرا که اگر کابل مرکزی دچار نقص شود، کل شبکه از کار می افتد.
• شبکه هایی با توپولوژی ستاره یا Star : در این روش، هر دستگاه به یک هاب یا سوئیچ مرکزی متصل می شود. این توپولوژی قابل اطمینان تر از توپولوژی خطی است زیرا خرابی یک دستگاه بر عملکرد سایر دستگاه ها تاثیر منفی و مخرب نمی گذارد. با این حال، استفاده از هاب یا سوئیچ مرکزی می تواند به یک نقطه ضعف و تهدید برای این مدل شبکه ها تبدیل شود.
• شبکه هایی با توپولوژی حلقه یا Ring : در این توپولوژی، دستگاه ها به صورت حلقه ای به یکدیگر متصل می شوند و داده ها در یک جهت در حلقه گردش می کنند. اگر یک دستگاه در حلقه از کار بیفتد، می توان با استفاده از یک مسیر جایگزین، ارتباط را حفظ کرد. توپولوژی حلقه از توپولوژی خطی و ستاره قابل اطمینان تر است، اما پیچیده تر و گران تر نیز هست.
• شبکه هایی با توپولوژی مش یا Mesh :  در این روش، هر دستگاه به چندین دستگاه دیگر متصل می شود. این پیچیده ترین و گران ترین توپولوژی است، اما در عین حال قابل اطمینان ترین و انعطاف پذیرترین نیز به شمار می آید. اگر یک دستگاه در توپولوژی مش دچار مشکل و نقص فنی شود، می توان از مسیرهای جایگزین متعدد برای حفظ ارتباط استفاده کرد.

نمونه شبکه های صنعتی PLC با توجه به نوع توپولوژی

• شبکه PROFIBUS : همان طور که در بخش قبلی اشاره شد، یک شبکه مبتنی بر سیم با قابلیت اطمینان بالا است. این شبکه پی ال سی که توسط شرکت زیمنس توسعه یافته است؛ از توپولوژی خطی یا ستاره استفاده می کند و به طور کلی، می توان آن را یک پروتکل محبوب برای شبکه های اتوماسیون صنعتی در نظر گرفت.
• شبکه Controller Area Network یا CAN : توپولوژی حلقه یا مش را به کار می برد و یک پروتکل عالی و سودمند برای شبکه های اتوماسیون صنعتی با سرعت بالا است که در مواردی مانند کنترل موتور و سیستم های ترمز استفاده می شود.
• شبکه اترنت صنعتی : یک پروتکل استاندارد برای شبکه های اتوماسیون صنعتی است که بر اساس پروتکل اترنت توسعه یافته است و از توپولوژی ستاره یا مش استفاده می کند.
• شبکه Modbus : یک پروتکل ساده و محبوب برای ارتباط بین دستگاه های صنعتی است و می تواند هر یک از توپولوژی های خطی، ستاره، حلقه یا مش را به کار ببرد.

شبکه های plc با در نظر گرفتن نوع پروتکل ارتباطی

در شبکه های صنعتی مختلف، هر پروتکل مجموعه ای از قوانین و استانداردها را تعریف می کند که نحوه ارسال و دریافت داده ها را بین دستگاه های گوناگون مشخص می نماید و به همین دلیل است که پروتکل ها نقشی حیاتی و انکار ناپذیر در تبادل اطلاعات بین اجزای مختلف سیستم بر عهده دارند.

انتخاب پروتکل مناسب برای یک شبکه صنعتی به عوامل مختلفی از جمله نیازمندی های خاص پروژه، توپولوژی شبکه، تعداد دستگاه ها و الزامات مربوط به نحوه عملکرد تجهیزات بستگی دارد. به طور کلی، پروتکل های ارتباطی در شبکه های صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد که در ادامه به توضیح آن ها می پردازیم.

پروتکل های مبتنی بر اترنت

این دسته از پروتکل ها، همان طور که از نام شان پیداست؛ از زیر ساخت اترنت به عنوان لایه فیزیکی برای انتقال داده ها استفاده می کنند. اترنت به دلیل برخورداری از پهنای باند بالا، قابلیت اطمینان و سهولت استفاده، به طور معمول به عنوان استاندارد غالب در شبکه های صنعتی در نظر گرفته می شود. برخی از پروتکل های محبوب مبتنی بر اترنت عبارت اند از:

• پروتکل EtherNet/IP : این پروتکل توسط کمپانی Rockwell Automation توسعه یافته است و به طور گسترده در صنعت اتوماسیون استفاده می شود. EtherNet/IP از متد یا تکنیک ارتباطی مبتنی بر شیء استفاده می کند که به دستگاه ها اجازه می دهد به طور یکپارچه با یکدیگر تعامل داشته باشند.
• پروتکل Profinet : توسط شرکت و برند مطرحِ زیمنس تولید و روانه بازار شده است و یکی از محبوب ترین پروتکل ها در اروپا است. Profinet از مدل ارتباطی مبتنی بر نام استفاده می نماید که امکان برقراری ارتباط به طور کارآمد بین دستگاه های متنوع را فراهم می کند.

• پروتکل Modbus TCP/IP : این پروتکل، نسخه اترنت از پروتکل Modbus است و به طور گسترده در صنعت به کار می رود. شبکه هایی که با این پروتکل معماری و طراحی می شوند،  از روش ارتباطی master/slave بهره برداری می کنند که در آن دستگاه اصلی یا master داده ها و اطلاعات را از دستگاه های زیر مجموعه یا slave درخواست و دریافت می نماید.

پروتکل های مبتنی بر سریال

این دسته از پروتکل ها از رابط های سریال برای انتقال داده ها استفاده می کنند. پروتکل های سریال به طور سنتی و در گذشته، برای اتصال دستگاه هایی با سرعت پایین و مسافت های کوتاه استفاده می شدند. با این حال، برخی از پروتکل های سریال مدرن مانند RS-485 می توانند از نرخ بیت بالا و مسافت های زیاد نیز پشتیبانی کنند. برخی از شبکه های صنعتی و پروتکل های محبوب مبتنی بر سریال را به طور خلاصه در جدول زیر آورده ایم.

شبکه های پی ال سی بر مبنای سطح کاربرد

شبکه های صنعتی در ایران و همه جای دنیا، بر اساس سطوح مختلفِ کاربری و صنایعی که در آن ها مورد استفاده قرار می گیرند، به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. هر کدام از این سطوح، نیازها و الزامات خاص خود را دارند و از پروتکل ها و تجهیزات متفاوتی در آن ها استفاده می شود.

در ادامه به بررسی این سطوح و ارائه مثال هایی از شبکه های صنعتی در هر دسته می پردازیم. لازم به ذکر است؛ در برخی از این شبکه ها که دارای سطحِ کنترلی و کاربری پایینی هستند؛ ممکن است از کنترل کننده های منطقی (پی ال سی) استفاده نشود و تجهیزات مورد استفاده در شبکه در حد سنسورها و اکچویتور ها (عملگرها) است.

سطح دستگاه Device Level

پایین ترین سطح در شبکه های صنعتی به شمار می رود و شامل سنسورها، اکچویتور ها و سایر تجهیزات تخصصی می شود. وظیفه اصلی این سطح، جمع آوری اطلاعات از محیط فرآیند و ارسال آن به سطوح بالاتر برای کنترل و نظارت است. از آنجایی که سنسورها و اکچویتور ها معمولا در معرض شرایط محیطی سخت و پر نویز قرار دارند، پروتکل های مورد استفاده در این سطح باید در برابر نویز و تداخل، بسیار مقاوم باشند.

سطح کنترل Control Level

این سطح، دربرگیرنده کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی و سیستم های کنترل نظارتی و جمع آوری داده (SCADA) می شود. وظایف اصلی این سطح شامل پردازش اطلاعات دریافتی از سطح دستگاه، تصمیم گیری بر اساس الگوریتم های کنترلی از پیش تعریف شده و ارسال دستورات کنترلی به سطوح پایین تر می شود.

سطح اطلاعات Information Level

بالاترین سطح در سلسله مراتب شبکه های صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی است و شامل رایانه های مهندسی، ایستگاه های اپراتوری و سیستم های مدیریت اطلاعات (MIS) می شود. وظیفه اصلی این سطح جمع آوری اطلاعات از سطوح پایین تر، ذخیره سازی و تجزیه و تحلیل آن ها و ارائه گزارش ها و نمودارهای مربوط به عملکرد فرآیند به کاربران است.

معیارهای انتخاب شبکه صنعتی plc مناسب

انتخاب شبکه صنعتی مناسب برای صنایع و پروژه های مختلف، امری حائز اهمیت بوده و نیازمند بررسی دقیق معیارهای تخصصی است. این معیارها، طیف وسیعی از ویژگی ها را شامل می شوند که هر کدام نقشی کلیدی در عملکرد و کارایی سیستم بر عهده دارند. در این قسمت از مقاله، به بررسی جامع معیارهای تخصصی انتخاب شبکه صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی می پردازیم و دسته بندی های مختلف این معیارها را شرح می دهیم. معیارهای انتخاب شبکه برای اتوماسیون صنعتی را می توان به طور کلی به دسته های زیر تقسیم کرد.

معیارهای فنی و مهندسی

• نوع توپولوژی: شبکه های صنعتی پی ال سی در توپولوژی های مختلفی مانند حلقه، خطی، ستاره و مش اجرا می شوند. انتخاب توپولوژی مناسب به عوامل متعددی از جمله تعداد گره ها، مسافت بین گره ها، نیاز به پهنای باند و الزامات امنیتی بستگی دارد.
• پروتکل ارتباطی: پروتکل های ارتباطی مختلفی برای شبکه های صنعتی مانند Modbus، Profibus، Profinet و EtherNet/IP وجود دارد. گزینش پروتکل مناسب به فاکتورهای گوناگون مانند سازگاری با تجهیزات موجود، نیاز به سرعت و قابلیت اطمینان و الزامات امنیتی وابسته است.
• سرعت انتقال داده: سرعت انتقال داده (که خود وابسته به عواملی مانند حجم داده های ارسالی، الزامات و محدودیت های مربوط به زمان و پاسخ گویی و … می باشد) در پروژه های اتوماسیون از اهمیت بالایی برخوردار است و باید به هنگام انتخاب شبکه های صنعتی به طور کامل در نظر گرفته و بررسی شود.
• قابلیت اطمینان: شبکه های صنعتی مربوط به کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر، باید از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار باشند تا بدین ترتیب از قطعی و اختلال در عملکرد سیستم جلوگیری شود. برای انتخاب شبکه ای با قابلیت اطمینان بالا باید به عواملی مثل نوع توپولوژی، پروتکل ارتباطی و تجهیزات استفاده شده در شبکه توجه نمود.
• امنیت: به طور کلی، امنیت در شبکه های صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است؛ زیرا از دسترسی غیر مجاز و نفوذ به سیستم جلوگیری می کند. انتخاب شبکه ای با امنیت بالا به عوامل متعددی از جمله پروتکل های امنیتی، روش های رمزگذاری و فایروال ها وابسته است.

معیارهای اقتصادی و مالی

سرمایه و بودجه مورد نیاز برای خرید و راه اندازی و همچنین تعمیر و نگه داری شبکه صنعتی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی به عوامل گوناگون (از جمله نوع توپولوژی، پروتکل ارتباطی، تجهیزات استفاده شده و نیازهای پروژه) بستگی دارد و از دیگر عوامل مهمی است که باید در انتخاب شبکه های صنعتی نظر گرفته شود. به علاوه؛ شبکه های صنعتی مورد استفاده برای کنترلرهای منطقی باید قابلیت توسعه داشته باشند تا بتوان در صورت نیاز گره ها، تجهیزات و دستگاه های جدیدی را به آن ها اضافه کرد.

معیارهای مربوط به نوع کاربری

فاکتورهای مختلفی را می توان به این معیار انتخاب شبکه های صنعتی نسبت داد که مهم ترینِ آن ها را در  قالب جدول زیر برای شما آورده ایم.