تحقیق اتوماسيون صنعتي و شبكه هاي ارتباطي

اتوماسيون صنعتي و شبكه هاي ارتباطي

خلاصه

پيشرفت فن آوري اينترنت و شبكه هاي ارتباطي در دهه هاي اخير ايجاب مي نمايد تا به لزوم بكارگيري شبكه هاي ارتباطي در صنعت و در اين راستا شبكه اي كردن دستگاهها و سنسورهاي صنعتي بپردازيم.

در اين مقاله نگاهي اجمالي به اتوماسيون صنعتي و نقش شبكه هاي ارتباطي در توسعه صنعت داريم . در ابتدا با بيان تاريخچه اتوماسيون صنعتي , به ذكر اطلاعات پايه اعم از سطوح سلسله مراتبي اتوماسيون صنعتي و پروتكل MAP ( پروتكل اتوماسيون صنعتي) مي پردازيم.

در ادامه ملزومات اساسي طراحي و ارتباطات قسمتهاي مختلف يك شبكه صنعتي شرح داده مي شود و با اشاره به توسعه شبكه هاي ارتباطي به نقش ارزنده اتصال دستگاهها و سنسورها در دنياي صنعت مي پردازد .

انواع شبكه هاي صنعتي با ذكر محاسن و معايب هر يك بررسي شده و نشان مي دهد كه چگونه مي توانيم شبكه هاي سرعت بالا مانند Ethernet را با شبكه هاي سطح پايين تر (‌مانند : Fieldbus) جهت افزايش كارايي تركيب نمود و همچنين اهميت استفاده از پردازنده ها و رابطهاي كامپيوتري در مديريت هرچه بيشتر اطلاعات تبادلي و chip هاي از قبل برنامه ريزي شده (‌Asic) شرح داده مي شود. در پايان با بيان پيشنهادهايي جهت طراحي يك شبكه ارتباطي در صنعت به كار خود خاتمه مي دهد.

فصل 1 – شبكه هاي صنعتي
مقدمه

هنگاميكه در دهه شصت تكنولوژي هاي اتوماسيون ديجيتال در دسترس قرار گرفت از آنها جهت بهبود و توسعه سيستمهاي اتوماسيون صنعتي استفاده شد . مفاهيمي مانند : صنايع خودكار[1](CIM) و سيستمهاي كنترلي خودكار توزيعي [2](DCCS), در زمينه اتوماسيون صنعتي معرفي گرديد و كاربرد شبكه هاي ارتباطي تقريبا“‌ رشد قابل توجهي نمود.

كاربرد سيستمهاي اتوماسيون صنعتي گسترش پيدا كرد بطوري كه تعدادي از مدلهاي ديجيتالي آن براي شبكه هاي ارتباطي جهت جمع آوري اطلاعات و عمليات كنترلي سطح پائين (سطح دستگاهاي عمل كننده) با هم در ارتباط بودند.

در يك سيستم مدرن اتوماسيون صنعتي ,‌ ارتباط داده ها بين هر يك از دستگاههاي اتوماسيون نقش مهمي ايفا مي كند , هدف از استانداردهاي بين اللملي برقراري ارتباط بين همه دستگاههاي مختلف اتوماسيون است. از اين رو كوششهائي جهت استانداردسازي بين المللي در زمينه شبكه ها صورت گرفت كه دستاورد مهم آن پروتكل اتوماسيون صنعتي (MAP) در راستاي سازگاري سيستم هاي ارتباطي بود. پروتكل MAP جهت غلبه بر مشكلات ارتباطي بين دستگاههاي مختلف اتوماسيون گسترش پيدا كرد و بعنوان يك استاندارد صنعتي جهت ارتباطات داده اي در كارخانه ها پذيرفته شد .

عملكرد و قابليت اطمينان يك سيستم اتوماسيون صنعتي در حقيقت به شبكه ارتباطي آن بستگي دارد .

در يك شبكه ارتباطي اتوماسيون صنعتي ,‌ بهبود عملكرد شبكه وقابليت اطمينان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سيستم و افزايش حجم اطلاعات تعيين مي گردد.

يك شبكه ارتباطي جهت يك سيستم اتوماسيون صنعتي بايد داراي شرايط زير باشد :

1 - قابل استفاده بودن شبكه 2 - ‌ توان عملياتي مناسب شبكه 3- ‌ميانگين تاخير انتقال اطلاعات قابل قبول.

به علاوه عوامل موثر بر عملكرد صحيح يك سيستم اتوماسيون صنعتي مي تواند شامل موارد زير باشد:

1 - ارزيابي كارايي يك شبكه ارتباطي توسط يكي از روشهاي شبيه سازي يا تحليلي.

2 - مطالعه كارايي شبكه در يك محيط نويزي .( نويز حاصل از روبوتهاي جوشكاري و موتورهاي بزرگ و غيره )

3 – تنظيم صحيح پارامترهاي ارتباطي شبكه . در يك سيستم اتوماسيون صنعتي شبكه ارتباطي يك جز مهم مي باشد. زيرا عهده دار تبادل اطلاعات است. بنابراين جهت دست يافتن به مقادير صحيح بايستي اتصالات ارتباطي بين ايستگاههاي مختلف شبكه ارتباطي بدرستي صورت گرفته باشد.

1 – 2 سطوح سلسله مراتبي سيستم هاي اتوماسيون صنعتي

سيستم هاي اتوماسيون صنعتي مي توانند خيلي مجتمع و پيچيده باشند ولي عموما“ به سطوح سلسله مراتبي ساختار بندي مي شوند. هر سطح شرايط متفاوتي در شبكه ارتباطي دارد . در مثال فوق يك ساختار سلسله مراتبي از يك سيستم اتوماسيون صنعتي نشان داده شده است.

سطح Element

سطح فيزيكي اتوماسيون شامل دستگاها و سنسورهاي عمل كننده است كه پردازش هاي فني را انجام مي دهند.

سطح فيلد Field Level

پايين ترين سطح اتوماسيون سطح Field است كه شامل دستگاههاي كنترلي مانند [3]PLC و[4] CNC است. دستگاههاي فيلد اصلي معمولا ‌“ طبقه بندي شده اند ,‌كار دستگاهها در سطح فيلد انتقال اطلاعات بين پروسه توليد محصول و پردازش هاي فني است .اطلاعات ممكن است باينري يا آنالوگ باشد .

جهت ارتباط سطح فيلد معمولا“ از كابلهاي چند رشته اي موازي و رابطهاي سريال استفاده مي شود . استانداردهاي ارتباطي سريال مانند:RS232C , RS422 و RS485 و نوعهاي عمومي ديگر با استاندارد ارتباطي موازي IEEE488 با هم استفاده مي شود.

روشهاي ارتباطي [5]نقطه به نقطه در شبكه ارتباطي از لحاظ قيمت كابل كشي و كيفيت ارتباط مقرون به صرفه بودند. امروزه Field Bus (يك نوع شبكه صنعتي) اغلب براي انتقال اطلاعات در سطح فيلد بكار مي رود .از آنجاييكه در يك فرايند اتوماسيوني زمانبندي درخواستها بايد بطور دقيق اجرا شود, برنامه هاي كنترل كننده هاي اين سطح عمليات انتقال چرخشي نياز دارند كه اطلاعات را در فواصل زماني مشخص انتقال دهند و اطلاعات تعيين شده را براي كم كردن زمان انتقال به قسمتهاي كوچكتر تقسيم كنند.

سطح Cell(Cell Level)

در سطح Cell جريان داده ها اساسا“ شامل : بارگزاري برنامه ها ‚ مقادير و اطلاعات است كه در طول فرايند توليد انجام مي شود.

جهت دستيابي به درخواستهاي ارتباطي در اين لايه از ‌شبكه هاي سرعت بالا استفاده مي شود. بعد از تعريف اصطلاحات CIM و Dccs بسياري از شركتها قابليتهاي شبكه هايشان را جهت سطحCell سيستم اتوماسيون افزايش دادند

Ethernet[6] همراه با [7]TCP/IP بعنوان يك استاندارد واقعي براي اين سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست يك ارتباط وابسته به زمان ( Real-Time ) را فراهم كند.

سطح Area (Area Level)

در سطح Area , Cell ها گروه بندي شده و توسط يك برنامه عملا“ شبيه سازي و مديريت مي شوند . توسط لايه Area , عملكرد كنترل كننده ها بررسي شده و فرايند و اعمال كنترل كننده اي مانند : تنظيمات توليد ‚ خاموش و روشن كردن ماشين و فعاليتهاي ضروري توليد مي شود.

سطح Plant (Plant Level)

بالاترين سطح يك سيستم اتوماسيون صنعتي است كه كنترل كننده آن اطلاعات مديريتي سطح Area را جمع آوري و كل سيستم اتوماسيون را مديريت مي كند.

1 – 3 وسيله انتقال

معيار اصلي در انتخاب يك شبكه ارتباطي ,‌ سيستم كابل بندي فيزيكي يا وسيله انتقال است. كه اغلب كابلهاي كواكسيال يا Twisted مي باشد. فن آوري هاي فيبر نوري و بي سيم هم به تازگي استفاده مي شوند.

كابل كواكسيال جهت انتقال سريع داده در مسافتهاي چندين كيلومتري استفاده مي شود كه عموما ‌“ در دسترس بوده و قيمت نسبتا“ پائيني دارد و به آساني نصب و نگهداري مي شود براي همين در شبكه هاي ارتباطي صنعتي زياد استفاده مي شود.

كابل Twisted Pair ( زوج به هم تابيده) جهت انتقال اطلاعات با سرعت چندين مگابايت در ثانيه برروي مسافتهاي 1 كيلومتر يا بيشتر استفاده مي شود اما همين كه سرعت افزايش مي يابد حداكثر طول كابل كاهش مي يابد. اين كابل سالهاست كه در شبكه هاي ارتباطي صنعتي استفاده مي شود و از كابل كواكسيال ارزانتر است اما ظرفيت انتقال بالا ئي ندارد و نسبت به امواج الكترومغناطيسي آسيب پذير است.

كابل فيبر نوري مقاوم در برابر امواج الكترومغناطيسي بوده و داراي ظرفيت انتقال داده بالايي در حد گيگا بايت است. هرچند كه تجهيزات آن گران و بكاربردن آن براي ارتباطات چند منظوره مشكل ترمي باشد ولي باعث انعطاف پذيري بيشتر مي شود. استفاده از Wireless نيز در بسياري از كارهاي موقتي و موبايلي بهترين راه حل است كه زياد استفاده مي شود.

1 -4 روشهاي انتقال

انتقال اطلاعات مي تواند بصورت ديجيتال يا آنالوگ باشد , مقادير داده اي آنالوگ دائما ‌“ تغيير مي كند ولي در ارتباط ديجيتال مقادير داده فقط مي تواند شامل 0 يا 1 باشد.

فرستنده اطلاعات مي تواند خود را همزمان يا غير همزمان نمايد كه بستگي به مسير ارسال اطلاعات دارد. در روش انتقال همزمان كاراكترها با استفاده از كدهاي Start , Stop ارسال مي شوند و هر كاراكتر مي تواند مستقلا ‌“ و با سرعت يكنواخت ارسال شود.

روش ارسال همزمان روش كارآمدتري مي باشد زيرا اطلاعات در بلوكهايي از كاراكترها ارسال مي شود و مسير صحيح و زمان رسيدن هر بيت قابل پيش بيني است زيرا زمان ارسال و دريافت با هم همزمان (‌هماهنگ) هستند. روشهاي ارسال در شبكه هاي ارتباط صنعتي شامل Base Band و Broadband و CarrierBand مي باشد در روش Base Band ارسال توسط مجموعه اي از سيگنالها صورت مي گيرد بدون تبديل شدن به فركانس ولي در Broadband داده ها بصورت رنجي از فركانسها كه در يك كانال تقسيم مي شوند ارسال مي شوند. در روش Carrie Band فقط از يك فركانس جهت ارسال و دريافت اطلاعات استفاده مي شود.

1-5 پروتكل MAP

شبكه هاي ارتباطي جهت اتوماسيون صنعتي توسعه يافتند .تا قبل از آن اغلب شركتها از شبكه هاي ارتباطي خصوصي خودشان جهت انجام كارها استفاده مي كردند, ولي زماني كه اتوماسيون صنعتي براي اولين بار آمده بود پايه اي براي ساير محصولات سيستم هاي كنترلي شد .بطوريكه سيستم هاي اتوماسيون گسترده شده و از محصولات مختلف با يكديگر متصل شدند. اما مشكل بزرگي كه بر سر راه اتوماسيون صنعتي قرار داشت اين بود كه آنها دريافتند در يك شبكه, اتصال تجهيزات از نوعهاي مختلف به يكديگر خيلي گران و مشكل است .

بعنوان نمونه در اواخر دهه 1970 شركت ژنرال موتور متوجه شد كه بيشتر از نيمي از بودجه اتوماسيون صرف بكارگيري رابطهاي سفارشي بين دستگاههاي مختلف اتوماسيون شده است به علاوه اغلب دستگاههاي مورد استفاده در آن زمان قادر به برقراري ارتباط شبكه اي با محيط بيروني خود نبودند, وضعيت مشابهي نيز در شركت Boeing موقعي كه آنها در نظر گرفتند چندين مركز اطلاعاتي مختلف را بهم متصل كنند بوجود آمد. كامپيوترهاي مختلفي از بيش از 85 محصول متفاوت با هم در ارتباط بودند . اين دو تجربه يك تصوير روشن از جهان ارتباطي در يك نمونه صنعتي بود و شركتهاي GM و Boeing را وادار به يافتن راه حل كرد تا اينكه در پروژه پروتكل اتوماسيون صنعتي (MAP) نتيجه داد.

اولين نسخه MAP فقط يك محصول با ويژگيهاي خاص بود كه در پائيز 1982 پذيرفته شد. زيربنا گروه استفاده كنندگان MAP در سال 1984 نقطه عطفي در تاريخ MAP برجاي گذاشت براي اينكه با پشتيباني عظيم صنعتي جهت استاندارد كردن مواجه شد.

در سال 1984 نمايشي ساخته شد كه امكان استفاده از شبكه MAP را در نسخه اول آن (MAP 1.0) نشان داد. در سال 1985 نسخه جديد آن (MAP 2.0) منتشر شد‚‌ اين نسخه جديد مدل مرجع OSI را براي سطوح پائين تر خود پذيرفت.

نسخه اول MAP كه كاربردهاي تجاري داشت MAP 2.1 بود. اين مدل پروتوكل هايي را كه در نسخه قبلي وجود نداشت در خود جاي داد و در سال 1985 در نمايشگاه Auto fact به نمايش گذاشته شد. تا قبل از بوجود آمدن نسخه 2.1 ويژگي خاص MAP تنها اين بود كه شبكه هاي ارتباطي را به وسايل اتوماسيون در سطح بالاتر در ساختار سلسله مراتبي سيستم ها ي اتوماسيون مرتبط مي ساخت. هدف از MAP 2.2 فراهم كردن روشهايي براي ايجاد شبكه هاي ارتباطي با كارايي بالا در سيستم هاي اتوماسيون بود. نسخه 3.0 آن در سال 1988 در نمايشگاه ENE در Baltimore به نمايش گذاشته شد كه اولين نسخه ثابت بود, بحث بر سر موضوع MAP بر پايه همين نسخه خواهد بود.

نقشه پروتكل Full-Map نشان داده شده در شكل 2.3 شامل يك 7 لايه اي كامل [8]OSI است. Full Map قابليت انعطاف زيادي براي ايستگاههاي ارتباطي دارد

شامل ورد 46صفحه ای

فهرست مطالب :

خلاصه 2

فصل 1 – شبكه هاي صنعتي 3

مقدمه 3

هزينه COST 10

2-2 ملزومات ارتباطي سيستم هاي اتوماسيون صنعتي 12

ارتباطات سطح Cell 13

2-3 فرايند طراحي شبكه ارتباطي 13

امكان سنجي Feasibility Study 14

تجزيه و تحليل Analysis 14

طراحي Design 15

اجرا Implementation 15

نگهداري و به روز رساني Maintenance and Upgrade 16

فصل 2 - شبكه هاي صنعتي 17

2-1-2 چرا يك سنسور را شبكه اي مي كنيم؟ 17

2-1-3 چه كسي از شبكه هاي سنسوري استفاده مي كند؟ 20

(1) 2-1-5 Ethernet 20

با Ethernet صنعتي چه كاري مي توان داشت؟ 26

Fieldbus ها همراه Ethernet 27

2-1-8 شبكه كنترل كننده محلي CAN)( 28

2-1-9 Profibus 29

2-1-10 Field bus 29

2-1-11 آيا فن آوري شبكه جديد است؟ 31

شبكه هاي صنعتي 31

2-2-2 لايه هاي اطلاعاتي 32

لايه 7 – لايه كاربرد Application 33

2-2-5 جداسازي سطح ولتاژ 38

2-2-6 معاني Slave , Master 38

پيچيدگي Master , Slave 39

2-2-7 ابزارهاي پيكربندي چه كاري انجام مي دهند؟ 41

2-3-6 استفاده از Chip هاي مجتمع 46

اصطلاحات 46