در فرایند اتوماسیون صنعتی، تجهیزات مکانیکی یا پایش محیطی با اندازههای متفاوت دیگر اجزایی مجزا بهشمار نمیروند. تجهیزاتی مانند کلیدهای قطع مدارهای الکتریکی یا Circuit Breakers، کنتورهای انرژی، رلههای حفاظتی، سنسورها و PLCها، بهتدریج تبدیل به دستگاههایی هوشمند شدهاند که داده ارسال کرده، وضعیت خود را گزارش داده و حتی دستورات کنترلی دریافت میکنند. تمام این اطلاعات توسط نرمافزار اسکادا یا DCS قابلمشاهده خواهدبود اما سؤال اصلی اینجاست که این تجهیزات تولیدشده چگونه خیلی ساده با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند؟ پاسخ: پروتکلهای ارتباطی صنعتی
چرا باید از پروتکلهای ارتباطی استفاده کنیم؟
پروتکلهای ارتباطی صنعتی در واقع زبان مشترک تجهیزات صنعتی هستند. بدون آنها، حتی پیشرفتهترین دستگاهها نیز نمیتوانند با یکدیگر در قالب یک شبکهی یکپارچه، امن و کارآمد با یکدیگر کار کنند. بههمین دلیل، شناخت پروتکلهای ارتباطی صنعتی برای مهندسان برق، اتوماسیون، اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) و مدیران فنی کاملاً ضروری است.
پروتکل ارتباطی چیست؟
یک پروتکل ارتباطی مجموعهای از قوانین و استانداردهاست که مشخص میکند:
- دادهها چگونه قالببندی شوند.
- اطلاعات چگونه ارسال و دریافت شوند.
- تجهیزات چگونه یکدیگر را شناسایی کنند.
- خطاهای ارتباطی چگونه تشخیص و مدیریت شوند.
یک مثال ساده
دو انسان برای درک متقابل باید به یک زبان صحبت کنند، دو تجهیز صنعتی نیز برای تبادل داده باید از یک پروتکل مشترک استفاده کنند.
برای مثال، یک PLC نمیتواند دادههای یک کنتور برق را بخواند، مگر اینکه هر دو از پروتکلی مانند Modbus، PROFINET یا EtherNet/IP پشتیبانی کنند.
گذار از پروتکلهای انحصاری به استانداردهای باز
در این قسمت به تاریخچه و نحوه ظهور پروتکلها را با یکدیگر بررسی میکنیم:
دوران اولیه اتوماسیون صنعتی
در گذشته، بیشتر پروتکلهای ارتباطی انحصاری بودند. هر شرکت، پروتکل ارتباطی صنعتی مخصوص به خود را توسعه میداد و این موضوع مشکلات زیادی ایجاد میکرد:
- وابستگی شدید به یک برند خاص
- هزینه بالای توسعه و نگهداری
- دشواری در توسعه و ارتقای سیستمها
تولد Modbus و انقلاب ارتباطی
در سال ۱۹۷۹ با معرفی مدباس Modbus، اولین پروتکل متنباز صنعتی، تحول بزرگی در صنعت رخ داد. Modbus باعثشد که تجهیزات شرکتهای مختلف با یک شناسه خاص ارتباط برقرار کنند. امروزه پروتکلهای استاندارد و باز به استانداردهای جهانی تبدیل شدهاند.
تفاوت سختافزار و نرمافزار در ارتباط صنعتی
برای درک بهتر نحوه انتقال داده، باید بین پروتکل و بستر فیزیکی تفاوت قائل شد.
پروتکل (وسیله نقلیه)
پروتکل، ساختار داده، نحوه رمزگذاری و عملکرد دستگاهها را در حین ارتباط، تعیین میکند.
نمونهها:
- Modbus
- PROFINET
- EtherNet/IP
- CAN bus
میتوان پروتکل را مانند خودرو در نظر گرفت.
بستر فیزیکی (جاده)
بستر فیزیکی همان مسیر انتقال داده است:
- کابل RS-485
- کابل شبکه Ethernet
- فیبر نوری
- ارتباط بیسیم
این بخش همان جاده است که دستگاهها اطلاعات خود را از طریق آن منتقل میکنند. گاهی یک نوع پروتکل خاص، میتواند از طریق رسانههای فیزیکی متفاوت منتقل شود؛ مثل اجرای Modbus RTU روی RS-485 و Modbus TCP روی اترنت
پروتکلهای Fieldbus چیست؟
Fieldbus از قدیمیترین و قابلاعتمادترین انواع پروتکلهای صنعتی بهشمار میرود که معمولاً از ارتباط سریالی استفاده میکنند و دادهها را بیتبهبیت از طریق توپولوژی باس منتقل میکنند.
ویژگیهای اصلی Fieldbus
- استفاده از کابلهای RS-485
- پشتیبانی از کابلکشی با متراژ بالا
- مناسب برای شرایط سخت محیطهای صنعتی
- مقاومت بالا در برابر نویز
- پشتیبانی از توپولوژی Daisy Chain
- اطمینان از ترتیب صحیح دریافت دادهها
پروتکلهای معروف Fieldbus
Modbus RTU
- سادهترین و پرکاربردترین پروتکل صنعتی
- ساختار Master/Slave
- مناسب برای سنسورها، کنتورها و تجهیزات ساده
سپهر انفورماتیک درخشان با سالها تجربه در تحقیق، توسعه و تولید تجهیزات اینترنت اشیا (IoT)، انواع دستگاههای پایش محیطهای صنعتی، گیتویهای ارتباطی و نرمافزار مانیتورینگ و اسکادای سپهر برای نظارت هوشمند را ارائه میکند. در این راهکارها، از این پروتکل ارتباطی به شکلی بهینه، مورداطمینان و کاملاً صنعتی استفاده شده است.
Profibus
- بسیار محبوب در اروپا
- سریعتر و پیشرفتهتر از Modbus
- مناسب برای خطوط تولید صنعتی
- شامل مکانیزمهای پیشرفته هماهنگی ارتباط Handshake
- قابلیت عیبیابی
CAN bus
- مقاوم در برابر خطا
- توسعهیافته بهصورت اختصاصی برای اتوماسیون
- کاربرد گسترده در خودرو و ماشینآلات
پروتکلهای Ethernet صنعتی
با افزایش نیاز صنایع به سرعت بالاتر و انتقال حجم بیشتر دادهها، استفاده از پروتکلهای مبتنی بر کابل Ethernet به یک استاندارد کلیدی در صنعت تبدیل شد؛ استانداردی که زیرساخت شبکهای پایدار را با سرعت بالای تبادل اطلاعات ترکیب میکند. برخلاف پروتکلهای Fieldbus، اترنت دادهها را در پکتها یا فریمها ارسال میکند.
ویژگیهای Ethernet صنعتی
- سرعت بسیار بالا
- استفاده از سوئیچ شبکه
- کنترل بهتر دادههای بزرگ
- استفاده از فیبر نوری یا کابل RJ45
- ارسال و دریافت همزمان دادهها
- مناسب برای شبکههای بزرگ و SCADA
پروتکلهای مهم Ethernet صنعتی
در بخش زیر به پروتکلهای مهم صنعتی مبتنی بر Ethernet میپردازیم:
Modbus TCP/IP
- نسخه تحت شبکه Modbus
- مناسب برای نظارت از راه دور و اسکادا
- خواندن و جمعآوری اطلاعات بهصورت همرزمان
EtherNet/IP
- پرکاربرد در آمریکای شمالی
- مبتنی بر Ethernet استاندارد و پروتکلهای TCP/UDP
- بسیار انعطافپذیر
-
محبوب در سیستمهای مبتنی بر PLC
PROFINET
- نسخه تکاملیافته Profibus
- سرعت بالا
- مشکلات همزمانسازی و زمانبندی را برطرف میکند.
-
مناسب برای محیطهای تولیدی با دقت و حساسیت بالا.
ارتباط بیسیم و پروتکل DNP3
ارتباطهای بیسیم معمولاً برای پایش و مانیتورینگ بهکار میروند، اما پروتکل DNP3 بهطور خاص برای شرکتهای برق و زیرساخت طراحی شده و ارتباط پایدار و دوربرد ایجاد میکند. در اغلب پروژههای صنعتی، از چند پروتکل بهصورت همزمان استفاده میشود. معمولاً در بخش تجهیزات از Modbus RTU، در سطح کنترل از PROFINET یا EtherNet/IP و در سطح مانیتورینگ از سیستمهای SCADA استفاده میشود. در این ساختار، گیتوی (Gateway) نقش مترجم را دارد و ارتباط بین پروتکلهای مختلف را برقرار میکند.
امنیت سایبری در شبکههای صنعتی
شبکههای مبتنی بر ارتباط سریالی بهدلیل دسترسی فیزیکی محدود، ذاتاً امنیت بالاتری دارند، در حالی که شبکههای Ethernet به حفاظت سایبری نیازمندند. بههمین منظور، استانداردهایی مانند IEC 62443 و UL 2900 برای افزایش امنیت تجهیزات و شبکههای صنعتی تدوین شده است.
انتخاب پروتکل صنعتی مناسب
پروتکلهای Fieldbus معمولاً سرعت پایینتری دارند اما ساختار ساده و عدم نیاز به تجهیزات شبکهای اضافی، هزینهی پیادهسازی کمتری خواهدداشت. این پروتکلها بیشتر برای تجهیزاتی مانند سنسورها، کنتورها و دستگاههای سادهی صنعتی بهکار میروند.
در مقابل، پروتکلهای مبتنی بر Ethernet یا اترنت صنعتی از سرعت بسیار بالایی برخوردار بوده و حجم زیادی از دادهها را تبادل میکند. هرچند هزینه راهاندازی آن بهدلیل نیاز به زیرساخت شبکه بیشتر است، اما بهترین گزینه برای یکپارچهسازی کل کارخانه، ارتباط بین PLCها، سیستمهای اسکادا و مانیتورینگ متمرکز محسوب میشود.
در مجموع، پروتکلهای ارتباطی صنعتی رکن اصلی سیستم اتوماسیون صنعتی، اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) و سیستمهای قدرت هوشمند هستند. انتخاب صحیح پروتکل، تأثیر مستقیمی بر پایداری، امنیت و عملکرد سیستم داشته و نقش کلیدی در موفقیت پروژههای صنعتی ایفا خواهدکرد.
