تحلیل زماني مخابره سيگنال‌هاي کنترلي از طريق پیوندهای چند مرحله اي بر روي شبکه‌هاي صنعتي به منظور پيادهسازي حلقه‌هاي کنترل گسترده با انعطاف پذيري با

 

چکیده

تحلیل زماني مخابره سيگنال‌هاي کنترلي از طريق پیوندهای چند مرحله اي بر روي شبکه‌هاي صنعتي به منظور پياده‌سازي حلقه‌هاي کنترل گسترده با انعطاف پذيري بالا

پيشرفت فن آوري‌هاي مرتبط با شبکه‌هاي ارتباطي در ده‌هاي اخير و گسترش آن‌ها در لايه‌هاي بالايي صنعت نظير لايه‌هاي مانيتورينگ و مديريتي ايجاب نموده تا روش‌هايي براي بکارگيري اين شبکه‌ها در سطوح پايين يعني شبکه نمودن دستگاه‌ها و سنسورها ابداع و به کار گرفته شوند که هر يک نسبت به روش‌هاي سنتي داراي مزايا و معايبي مي‌باشند.

در این پایان‌نامه نگاهی اجمالی به اتوماسیون صنعتی و نقش شبکه‌های ارتباطی در توسعه صنعت خواهیم داشت و با بیان تاریخچه شبکه‌های صنعتی از جمله اترنت و پروفیباس به ذکر اطلاعات پایه و سطوح سلسله مراتبی اتوماسیون صنعتی و پروتکل‌های آن می‌پردازیم. در ادامه ملزومات اساسی طراحی و ارتباطات قسمت‍های مختلف شبکه اترنت و پروفیباس شرح داده می‌شود و با ذکر محاسن و معایب هریک نشان خواهیم داد که چگونه می‌توانیم شبکه‌های با سرعت بالا ولي غير زمان حقيقي مانند اترنت را در پروسه‌هاي نيازمند داده زمان حقيقي استفاده نماييم و در انتها با ترکيب شبکه‌های سطح بالا (اترنت) با شبکه‌هاي سطح پایین‌تر (مانند پروفیباس) به بررسي تحلیل زماني مخابره سيگنال‌هاي کنترلي از طريق پیوندهای چند مرحله اي مي‌پردازيم.

با توجه به بکارگيري گسترده شبکه پروفیباس و شبکه اترنت صنعتي، در اين رساله به طور خاص بر استفاده همزمان از اين دو نوع شبکه براي تبادل سيگنال‌هاي کنترلي متمرکز خواهيم شد و رفتار تأخير متغير با زمان، خطا در ارسال و ساير موارد را در مخابره سيگنالها از طريق هر دو شبکه و تأثيري که مي‍توانند بر عملکرد سيستم کنترل داشته باشند را مورد مطالعه قرار خواهيم داد با اين هدف که با استفاده از نتايج تحليل بتوان به طور مشخص برآورده شدن قيود زمان حقیقی را به ازاي هر سيستم کنترل تعيين نمود. همچنين به دنبال آن خواهيم بود که راهکارهائي را براي کمک به برآورده شدن اين قيود ارائه نمائيم.

فهرست مطالب

1- مقدمه. 2

1-1- کلیات. 2

1-2- جايگاه اترنت در هرم اتوماسيون. 3

1-3- جايگاه فيلدباس در هرم اتوماسيون. 7

2- معرفی شبکه‌های صنعتی. 11

2-1- مقدمه. 11

2-2- معرفي شبکه اترنت. 12

2-2-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش اترنت. 13

2-2-2- نگاهی به روند تکاملی اترنت. 15

2-2-3- نگاهی به روند تکاملی اترنت زمان حقيقي. 17

2-2-3-1- On Top of TCP/IP. 20

2-2-3-1-1-......................................................................................... Modbus/TCP. 20

2-2-3-3-2-......................................................................................... Ethernet/IP. 20

2-2-3-1-3-.......................................................................................................... P-NET. 20

2-2-3-1-4-..................................................................................................... Vnet/IP. 20

2-2-3-2- On Top of Ethernet. 21

2-2-3-2-1-................................................... Ethernet Power Link (EPL)21

2-2-3-2-2-............... Time-Critical Control Network (TCNET)21

2-2-3-2-3-................................. Ethernet for Plant Automation.. 21

2-2-3-2-4-..................................................................................... Profinet CBA.. 21

2-2-3-3- Modified Ethernet. 21

2-2-3-3-1-Serial Realtime Communication System ................................... 22

2-2-3-3-2-.............................................................................................. Ethercat. 22

2-2-3-3-3-.......................................................................................... Profinet IO.. 22

2-3- شبکه پروفيباس. 22

2-3-1- نگاهی به تاریخچه پیدایش شبکه پروفیباس. 23

2-4- ارتباطات منطقی در شبکه‌های صنعتی (اترنت و پروفیباس). 24

2-5- تکنولوژی ارتباطات در اترنت. 25

2-5-1- لايه فيزيکي. 26

2-5-1-1- 10BASE 5. 27

2-5-1-2- 10 BASE 2. 27

2-5-1-3- 10 BASE-T. 28

2-5-1-4- 10 BASE-FL. 29

2-5-1-5- 100 BASE يا Fast Ethernet. 30

2-5-1-6- 1000 BASE يا اترنت گيگابيت. 31

2-5-2- مقايسه کلي شبکه هاي اترنت مبتني بر IEEE 802.3. 32

2-5-3- لایه پيوند داده اي در اترنت. 32

2-5-3-1- فريم بندي داده در اترنت......................... 33

2-5-3-2- روش دسترسي به باس در اترنت. 36

2-5-4- لايه شبکه در اترنت. 39

2-5-4-1- IP Address در لايه Network.. 40

2-5-4-1-1- آدرس IP-v4. 40

2-5-4-1-2- آدرس IP-v6. 40

2-5-5- لايه انتقالدر اترنت. 41

2-6- تکنولوژی ارتباطات در پروفیباس. 43

2-6-1- لايه فيزيکي. 44

2-6-6-1- انتقال با کابل مسي. 44

2-6-1-2- انتقال با فيبر نوري. 48

2-6-2- توپولوژی‌های شبکه پروفیباس. 50

2-6-2-1- توپولوژی باس با استفاده از ریپیتر. 50

2-6-2-2- توپولوژی درختی با استفاده از ریپیتر. 51

2-6-3- لايه پيوند داده:. 52

2-6-3-1- فرمت انتقال دیتا و امنیت آن. 53

2-6-3-2- نحوه دسترسی به باس. 54

2-6-3-3- فریم Token.. 56

2-6-4- پروفيباس FMS. 56

2-6-5- پروفيباس PA.. 57

2-7- جمع بندی. 60

3- تبادل داده بین PLC‌ ها با استفاده از شبکه‌های صنعتی. 62

3-1- مقدمه. 62

3-2- طراحی شبکه. 63

3-2-1- امکان سنجی. 64

3-2-2- تجزیه و تحلیل. 65

3-2-3- طراحی. 65

3-2-4- اجرا. 66

3-2-5- نگهداری و به روز رسانی. 66

3-3- تکنیک‌های دسترسی به شبکه. 67

3-4- شبکه کردن PLC‌ ها با استفاده از اترنت. 67

3-4-1- ارتباطات Send / Receive در شبکه اترنت. 68

3-4-2- کارکردهاي ارتباطی. 69

3-4-3- پیکربندی و برنامه نویسی ارتباط S7 Connection.. 70

3-4-3-1- پیکر بندی سخت افزار. 70

3-4-3-2- پیکربندی ارتباط در Netpro.. 71

3-4-3-3- برنامه نویسی تبادل دیتا در اترنت. 72

3-5- شبکه کردن PLC‌ها با استفاده از پروفیباس. 73

3-5-1- تنظیمات شبکه پروفیباس. 75

3-5-1-1- پارامتر Highest Profibus Address. 76

3-5-1-2- پارامتر Transmission.. 76

3-5-1-3- پروفایل‌های پروفیباس. 77

3-5-2- IntelLigent Slave. 77

3-5-3- برنامه نویسی تبادل دیتا در پروفیباس. 77

3-6- جمع بندی. 78

4- تحلیل تئوری و عملی شبکه‌های صنعتی. 80

4-1- مقدمه. 80

4-2- محاسبه زمانی ارتباط پروفیباس. 81

4-2-1- محاسبه زمانی ارتباط یک Master و یک Slave به لحاظ تئوری 82

4-2-2- محاسبه زمانی ارتباط یک Master و یک Slave به لحاظ عملی 85

4-2-3- محاسبه زمانی ارتباط یک Master و دو Slave به لحاظ تئوری 88

4-2-4- محاسبه زمانی ارتباط یک Master و دو Slave به لحاظ عملی 89

4-3- محاسبه زمانی ارتباط اترنت. 91

4-4- زمان حقیقی نمودن اترنت. 96

4-5- سیستم‌های چند مرحله ای. 98

4-5-1- حالت اول DP-LAN-DP. 99

4-5-2- حالت دوم LAN-DP-DP. 102

4-5-3- مقایسه دو سیستم. 104

4-6- جمع بندی. 105

5- تاثیر شبکه‌های صنعتی بر روی حلقه کنترلی. 107

5-1- مقدمه. 107

5-2- مدل مورد بررسی بدون تاخیر زمانی. 108

5-3- وارد نمودن تاخیر به سیستم (تاخیر ناشی از شبکه). 110

5-4- مدل سازی با شبکه ترکیبی. 113

5-5- نتیجه گیری:. 114

6- جمع بندی و پبشنهادات. 116

6-1- جمع بندی. 116

6-2- پیشنهادات. 119

فهرست تصاویر

شکل ‏1‑1: هرم اتوماسيون[2]4

شکل ‏1‑2: سطوح شبکه‌هاي صنعتي [4]5

شکل ‏1‑3: کاربرد اترنتدرسطوحمختلفاتوماسيون[6]6

شکل ‏1‑4: جايگاه پروفيباس در هرم اتوماسيون [2]8

شکل ‏1‑5: معماری اصلی سیستم متشکل از لينک‌هاي اترنت و پروفيباس 9

شکل ‏1‑6: معماری شبیه سازی شده متشکل از لينک‌هاي اترنت و پروفيباس 9

شکل ‏2‑1: روند تحول اتوماسيون.. 12

شکل ‏2‑2: برخورد در اترنت.. 15

شکل ‏2‑3: اترنت مبتنی بر هاب [8]16

شکل ‏2‑4: اترنت مبتنی بر سوییچ [9]17

شکل ‏2‑5: ساختارهاي ممکن براي اترنت زمان حقيقي[11]19

شکل ‏2‑6: لايه فيزيکي.. 26

شکل ‏2‑7: تصادم ديتا در اترنت[30]38

شکل ‏2‑8: لايه شبکه.. 39

شکل ‏2‑9: لايه انتقال.. 42

شکل ‏2‑10: کابل مسي شيلددار.. 44

شکل ‏2‑11: ساختار RS485[32]44

شکل ‏2‑12: ساختار Star45

شکل ‏2‑13: ساختار Tree. 46

شکل ‏2‑14: کابل و کانکتور پروفيباس [34]47

شکل ‏2‑15: نحوه اتصال OLM به پروفیباس [36]49

شکل ‏2‑16: نحوه اتصال OLP به پروفیباس[37]50

شکل ‏2‑17: توپولوژی باس با استفاده از ریپیتر[39]51

شکل ‏2‑18: موقعیت لایه‌های LLC و MAC در مدل OSI[2]52

شکل ‏2‑19: بسته UART[40]53

شکل ‏2‑20: بسته اطلاعاتی پروفیباس[41]53

شکل ‏2‑21: نحوه ارسال دیتا در پروفیباس[2]55

شکل ‏2‑22: ساختار Token در پروفیباس[41]56

شکل ‏2‑23: لايه هاي مورد استفاده در پروفيباس FMS[2]57

شکل ‏2‑24: پروفيباس PA/DP[2]58

شکل ‏2‑25: انتقال ديتا در پروتکل H1[2]58

شکل ‏3‑1: چرخه زندگی یک سیستم.. 64

شکل ‏3‑6: شبکه کردن دو PLC 300 توسط اترنت.. 71

شکل ‏3‑7: Connection Table. 71

شکل ‏3‑8: مشخصات ارتباط برقرار شده.. 72

شکل ‏3‑9: شبکه کردن دو PLC 300توسط پروفيباس.. 76

شکل ‏3‑10: SFC14[61]78

شکل ‏3‑11: SFC15[62]78

شکل ‏4‑1 : ساختار Bus Cycle. 82

شکل ‏4‑2: ساختار انتقال اطلاعات در پروفیباس.. 83

شکل ‏4‑3: فریم پروفیباس.. 84

شکل ‏4‑4: فریم تغییر یافته پروفیباس[41]85

شکل ‏4‑5: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين یک Master و یک Slave. 87

شکل ‏4‑6: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات بين یک Master و یک Slave 87

شکل ‏4‑7: نمودار زمان بين دو ارسال متوالي اطلاعات یک Master و یک Slave 88

شکل ‏4‑8: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين یک Master و دو Slave. 90

شکل ‏4‑9: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات بين یک Master و دو Slave 90

شکل ‏4‑10: فریم IEEE[5]92

شکل ‏4‑11: فریم پروفینت[66]92

شکل ‏4‑12: Network Utilization. 93

شکل ‏4‑13: Network Utilization با دو کامپيوتر.. 93

شکل ‏4‑14: تصادم در هاب.. 94

شکل ‏4‑15: Connection Statistic[68]94

شکل ‏4‑16: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين دو CPU با اترنت.. 95

شکل ‏4‑17: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات بين دو CPU با اترنت 95

شکل ‏4‑18: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات بين دو CPU با یک CPU به صورت همزمان با اترنت.. 96

شکل ‏4‑19: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين CPU1 و CPU2 با اترنت در حالت زمان حقيقي.. 97

شکل ‏4‑20: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين CPU2 و CPU3 با اترنت در حالت زمان حقيقي.. 97

شکل ‏4‑21: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين دو CPU با اترنت در حالت زمان حقيقي و با يک لينک معيوب.. 98

شکل ‏4‑22: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 1. 99

شکل ‏4‑23: نمودار زماني مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرايط بد 101

شکل ‏4‑24: نمودار زماني مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرايط خوب.. 101

شکل ‏4‑25: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP. 101

شکل ‏4‑26: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 2. 102

شکل ‏4‑27: نمودار زماني مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرايط بد 103

شکل ‏4‑28: نمودار زماني مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرايط خوب.. 103

شکل ‏4‑29: پراکندگي آماري زمان مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP. 104

شکل ‏4‑30: نمودار زمان مبادله اطلاعات بين دو CPU با اترنت همراه با دو کامپيوتر.. 105

شکل ‏5‑1: مدل مورد بررسی.. 107

شکل ‏5‑2: بلوک دیاگرام مدل به همراه PID.. 108

شکل ‏5‑3: سیگنال ورودی.. 108

شکل ‏5‑4: پارامترهای PID.. 109

شکل ‏5‑5: خروجی سیستم بدون تاخیر.. 110

شکل ‏5‑6: بلوک تاخیر.. 110

شکل ‏5‑7: بلوک دیاگرام مدل به همراه تاخیر 13ms. 111

شکل ‏5‑8: خروجی سیستم با تاخیر 13ms. 111

شکل ‏5‑9: پارامترهای PID با در نطر گرفتن تاخیر 13ms. 112

شکل ‏5‑10: خروجی سیستم با تاخیر 13ms و پایدارسازی مجدد.. 112

شکل ‏5‑11: بلوک دیاگرام مدل شامل شبکه پروفیباس و اترنت.. 113

شکل ‏5‑12: خروجی سیستم با تاخیر 26ms در شبکه اترنت.. 114

فهرست جداول

جدول 2-1: زیرکمیته 802 و استانداردهای مربوط به آن...... 13

جدول 2-2: سیر تحول اترنت.................................................................................... 14

جدول2-3: مقايسه اترنت معمولي و سريع...................................................... 24

جدول2-4: انواع اترنت گيگابيت......................................................................... 25

جدول2-5: مقايسه کلي شبکه‌هاي اترنت............................................................ 26

جدول2-6: مشخصات کابل پروفيباس....................................................................... 40

جدول2-7: ماکزيمم طول سگمنت پروفيباس بر اساس سرعت انتقال ديتا 41

جدول3-1: سرویس‌های ارتباطی زیمنس................................................................. 64

جدول3-2: حجم دیتای قابل جابجایی مبنی بر سرویس‌های ارتباطی65

جدول3-3: فانکشن‌های مورد استفاده مبنی بر سرویس‌های ارتباطی66

جدول3-4: فانکشن‌های برنامه نویسی اترنت................................................. 69

جدول3-5: Slaves................................................................................................................... 71

جدول4-1: معرفی هر المان و وظیفه آن در پروفیباس........................ 80

فصل اول

مقدمه

 

1- مقدمه

1-1- کلیات

هنگامی که در دهه شصت تکنولوژی‌های اتوماسیون دیجیتال در دسترس قرار گرفت، از آن‌ها جهت بهبود و توسعه سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده شد. مفاهیمی مانند صنایع خودکار[1]و سیستمهای کنترلی خودکار توزیعی[2]، در زمینه اتوماسیون صنعتی معرفی گردید و کاربرد شبکه‌های ارتباطی تقریبا رشد قابل توجهی نمود. با گسترش شبکه‌های ارتباطی در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، جمع آوری اطلاعات و عملیات کنترلی در سطو ح پایین به این شبکه‌ها سپرده شد. این گسترش تا جایی پیشرفت نمود که امروزه در یک سیستم مدرن اتوماسیون، دستگاه‌های موجود در سطوح مختلف سیستم، از طریق این شبکه های ارتباطی به انتقال داده‌ می‌پردازند. از این رو کوشش‌هایی جهت استاندارد سازی بین المللی در زمینه شبکه‌ها صورت گرفت که دستاورد مهم آن پروتکل اتوماسیون صنعتی MAPدر راستای سازگاری سیستم‌های ارتباطی بود. پروتکل MAPجهت غلبه بر مشکلات ارتباطی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون گسترش پیدا کرد و به عنوان یک استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در کارخانه‌ها پذیرفته شد. عملکرد و قابلیت اطمینان یک سیستم اتوماسیون صنعتی در حقیقت به شبکه ارتباطی آن بستگی دارد. در یک شبکه ارتباطی اتوماسیون صنعتی، بهبود عملکرد شبکه و قابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می‍گردد[1].

امروزه یک کارخانه با اتوماسیون مدرن یا نسبتا مدرن، اتاق‌های فرمان و کنترل، از محل‌هایی هستند که نسبت به گذشته پيشرفت‌هاي بسيار جالب توجهی داشته اند. در چنین اتاق‌هایی از پانل‌های بزرگ قدیمی[3]که شکل فرآیند روی آنها ترسیم شده بود و به چراغهای سیگنال زیادی مجهز بودند دیگر خبری نیست. همه چیز را بایستی در صفحات کامپیوتر یا اصطلاحاً HMI^[4]جستجو کرد. اما افراد کاوشگر در پشت این صفحات به دنبال ارتباطات فیزیکی بین کامپیوتر و فرآیند هستند و با مختصر جستجو به پانل‌هایی در همان نزدیکی برخورد می‌کنند که تجهیزات ارتباطی در آن نصب گردیده اند. و با نگاهی به تجهیزات ارتباطی سخت افزاری شبکهدر یک نگاه متوجه می‌شوند که شبکه مورد استفاده همان شبکه معروف اترنت صنعتی[5] است [2].

امروزهشبكهاترنتدركاربرد‌هايادارينيزآنقدرمعروفومرسومشدهكهبسياريازكاربرانغير متخصصنيزباتجهيزاتآن مانندهاب،سوئيچ،كابلو ... آشناهستند. درهرصورتدركاربردHMIاگرچهممكناستدرموارديوبدلايليارتباطفوقرابصورت‌هايديگروتوسطشبكه‌هايصنعتيديگر نيزبتوانمشاهدهكرد،وليدرسيستم‌هايمدرنامروزهكمتراتفاقمي‌افتدكهدرسطحHMI شبكهايبه جزاترنتصنعتيبكارگرفتهشود.

براي روشن شدن مبحث به جايگاه دو شبکه اترنت و پروفيباس در اين هرم اتوماسيون مي‌پردازيم:

1-2- جايگاه اترنت در هرم اتوماسيون

ساختار یک سیستم اتوماسیون جامع، که دربرگیرنده تجهیزات مختلف کنترل و مانیتورینگ است، را به ساختاری هرمی شکل تشبیه می‌کنند. در این ساختار هر دسته از تجهیزات بسته به نوع و کاربرد جایگاه خاصی دارند. بر این اساس سطوح مختلفی را برای این هرم تعریف می‌کنند و در هر سطح تجهیزات مربوطه را همراه با شبکه‌های صنعتی قابل استفاده معرفی می‌نمایند. پایین ترین سطح حسگرها و عملگرها هستند. همانطور که از نامش پیداست سطحی است که در آن سنسورها و عملگرها قرار می‌گیرند. یکی از شبکه‌های صنعتی معروف که در این سطح استفاده می‌شود ^[6]ASIاست. سطح بالاتر فیلد است. در این سطح تجهیزاتی مانند ورودی خروجی‌های ریموت و ثبات‌ها^[7] و دیگر وسایل فیلد قرار می‌گیرند و شبکه مورد استفادهآنها
می تواند پروفیباس باشد. از سطح فیلد که بالاتر برویم به سطح کنترل می‌رسیم. در این سطح PLC^[8]‌ها، سیستم‌های ^[9]DCSو HMI‌ها قرار می‌گیرند، در برخی تقسیم بندی‌ها سطح کنترل را به دو سطح HMIو کنترل تقسیم بندی می‌کنند؛ و بالاخره بالاترین سطح مدیریت است که در آن سیستم‌های اطلاعات مدیریت مانند سیستم‌های تولید، نگهداری، تعمیرات، فروش وخرید قرار می‌گیرد. در برخی موارد اطلاعات موجود در سطح کنترل به صورت خام قابل استفاده برای سطح مدیریت نیستند و بایستی روی آنها پردازش صورت گیرد. از این رو سطح واسطی بین ایندو با عنوانMES^[10] تعریف می‌شود. اما آنچه لازم است مورد توجه قرار گیرد آنست که در هرم فوق هرقدر از سطح پایین به سطح بالا نزدیک می‌شویم تمرکز اطلاعات بیشتر می‌شود. بنابراین برای جابجایی آنها، به شبکه‌هایی با سرعت بالاتر نیازمندیم [3].

شکل ‏1‑1: هرم اتوماسيون[2]

بعنوانمثالاطلاعاتتجهيزاتفيلدكهپراكندگيبسياردارنددريكياچند Remote I/O متمرکز مي‌گردند و اطلاعات چند Remote I/Oدر يک PLC و اطلاعات چند PLC در يک سيستم HMI تمرکز مي‌يابد. شايد به دليل همين تمرکز است که ساختار را به صورت هرمي شکل نمايش مي‌دهند.

ازتمركزاطلاعاتدرسطوحبالاترنكتهديگرينيزبهذهنمي‌رسددراينسطوححجماطلاعاتبيشترشده و برايجابجاييآنهابهشبكه‌هاييباسرعتبالاترنيازمنديم.

در سطوح پايين، شبكهايمانند ASIحداکثر با 170Kbps و شبکه اي مانند پروفیباس[11] حداکثر با سرعت 12Mbps مي‌تواند اطلاعات را جابجا کند. اين سرعت ممکن است براي تبادل ديتا در سطوح بالا کند باشد.

امروزه اترنت صنعتي با سرعت 100Mbps و یا1Gbps در سطوح بالا مانند Cell Level اطلاعات را جابجا مي‌کند و در سطح Management از اترنت‌هاي سريعتر مانند 1Gbps معمولا استفاده مي‌کنند.

شکل ‏1‑2: سطوح شبکه‌هاي صنعتي[4]

بطورخلاصهبهدليلوجودحجمزياداطلاعاتدرسطوحبالا،نمي‌توانازشبكه‌هايسطوحپايينكهسرعت كمدارنددرآنهااستفادهكرد.وليسؤاليكهبهذهنمي‌رسدآنستكهچراازشبكه‌هايسريعماننداترنت در سطوح پايين مانند سطح فيلد استفاده نمي‌شود.

خوانندهمحترمپسازمطالعهبخش‌هايبعدياينپايان نامهمتوجهخواهدشدكهدراترنتبصورتپايه، قطعيت برايارسالبموقعديتاوجودنداردوممكناستهربارزمانارسالديتابادفعات پيشينمتفاوتباشد. اينتفاوت بدليلويژگيتكنيكدسترسيدراترنتاستكهبه CSMA/CD موسوماستكهدرآنپديدهتصادم اطلاعات وجود دارد. درحاليكهشبكه‌هاييمانند پروفیباس از روش‌هاي Token pass و Master/Slave استفاده مي‌کنند، که اگرچه کندتر از اترنت هستند ولي بموقع رسيدن اطلاعات در يک زمان مشخص را تضمين مي‌کنند[5].

بههرحالباوجودتماممسائلفوقامروزهامكاناتصالبهاترنتبرايبسياريازانواعوسايلمورد استفادهدراتوماسيونفراهمشدهبهصورتيكهعلاوهبركنترلروكامپيوترسايرتجهيزاتديگرمانندپانلهاي اپراتوري
(OP, TP) و درايو‌ها و واسط‌هاي بين I/O با شبکه موسوم به Remote I/O‌ها را مي‌توان به شبکه اترنت متصل نمود.

وقتيازاترنتدرسطوحمختلفاتوماسيوناستفادهمي‌شود،همانطوركهدرشكلزيرنشاندادهشده،مزيت بزرگيباخودبههمراهداردوآنيكدستبودنشبکهو عدم نيازبهاستفادهازشبكه‌هايمتنوعاست.پراكندگيكمتردرسختافزار،عدمنيازبهكابل‌هاوكانكتورهايمتفاوتوعدمنيازبهآشناييباچند شبكهبرايمتخصصيناتوماسيونوطبيعتاًعيبيابيسادهترازمزاياياينروشبه شمارمي‌روند.

شکل ‏1‑3: کاربرد اترنتدرسطوحمختلفاتوماسيون[6]

باهمهاينمزاياوجودعدمقطعيتدرارسالبموقعديتا،كهازويژگي‌هاياجتنابناپذيرشبكهاترنت است،طراحرامجبورمي‌سازدتاكاربرداترنتراصرفاًبراياموريمانندمونيتورينگوكلاًدرمواقعيكه احتمالدريافتديتايباتاخيرمشكليدركنترلفرآيندايجادنمي‌كندمحدودنمايد.

1-3- جايگاه فيلدباس در هرم اتوماسيون

وقتي صحبت از جايگاه فيلدباس در هرم اتوماسيون مي‌شود، بيش از همه ذهن به سمت فيلد معطوف
مي‌گردد يعني شبکه کردن سنسورها و عملگرها. اين ذهنيت اگرچه درست است ولي در عمل پروتکل‌هاي مختلفي که تحت عنوان فيلدباس عرضه شده اند بعضا پا را فراتر گذاشته و در سطح کنترل نيز کاربرد پيدا
کرده اند که پروفيباس نيز يکي از اين موارد است. از پروتکل‌هاي مشهور در زمينه فيلدباس مي‌توان موارد زيررا نام برد:

 

FOUNDATION FIELDBUS	ASI	DeviceNet LON HART
	CAN	Ethernet	SDS PROFIBUS
	EIB	Interbus	ControlNet

شکل زير جايگاه پروفيباس را در هرم اتوماسيون نشان مي‌دهد. همانطور که ملاحظه مي‌شود گستردگي آن از سطح فيلد تا سطح کنترل مي‌باشد. در سطح بالاتر يعني سطح نظارت[12]اگرچه مي‌توان از Profibus FMS استفاده کرد، ولي امروزه اترنت صنعتي در اين سطح عملا جايگزين پروفيباس شده و بندرت از آن در سطوح بالاتر از سطح کنترل استفاده مي‌گردد.

شکل ‏1‑4: جايگاه پروفيباس در هرم اتوماسيون[2]

یک شبکه ارتباطی جهت یک سیستم اتوماسیون صنعتی باید دارای شرایط زیر باشد:

1. قابل استفاده بودن شبکه
2. توان عملیاتی مناسب شبکه
3. میانگین تاخیر انتقال اطلاعات قابل قبول

در این پایان نامه در فصل دوم پس از مروری کوتاه بر سیر تغییر و تحول شبکه‌های صنعتی به معرفی
شبکه‌های اترنت و پروفیباس پرداخته و نقاط ضعف و قوت اترنت و پروفیباس را در لایه‌های مختلف مدل OSI[13]، عنوان و از نتایج این بخش در تحلیل تئوریک عملکرد زمانی و زمان حقیقی [14]بودن اطلاعات در این دو شبکه بهره می‌گیریم. هدف ما در فصل سوم، بررسي تبادل دیتا بین PLC‌ها با استفاده از شبکه‌های صنعتی بوده و در فصل چهارم ضمن بررسي و تحليل زماني ارسال و دريافت اطلاعات در شبکه‌هاي پروفيباس و اترنت به تنهايي، راهکاري جدید مبنی بر تغییر در شبکه اترنت با هدف دسترسي زمان حقيقي به داده‌ها ارايه و آزمايش خواهد گرديد و سپس با برقراري چند لينک متوالي متشکل از پروفيباس و اترنت به تحليل زماني (تاخير) پرداخته تا به روشي براي دستیابی به سرعت بالا با قطعیت در ارسال در اين نوع شبکه‌هاي ترکيبي ارايه گردد. در فصل آخر به جمع بندي و ارايه پيشنهاداتي جهت ادامه طرح در آينده می‌پردازیم.

مسأله مورد توجه در اين پايان نامه امکان سنجي شهودي "ايجاد حلقه‌هاي ارتباطي متشکل از لينک‌هاي اترنت و پروفيباس" مي‌باشد. چراکه در عمل اطلاعات جمع آوری شده‍ در فیلد توسط شبکه پروفیباس به CPU بالادست خود ارسال شده، سپس این اطلاعات از طریق شبکه اترنت در اختیار یک CPU دیگر در مکان دورتر قرار م‍ی‌گیرد (شکل 1-5). در شکل 1-6 CPU1نقش عملگر و حسگر، که در عمل از هم دور هستند، را بطور همزمان برعهده دارد و ما به این دلیل هردو نقش را به CPU1 داده ایم که بتوانیم تاخیر را اندازه بگیریم. از آنجا که در صنعت، زمان حقيقي بودن حلقه‌هاي کنترلي از اهميت ويژه‌اي برخوردار مي‌باشد، در سيستم‌ مورد اشاره به بررسي اين موضوع پرداخته و با انجام چندين باره آزمايشات زمان حقيقي بودن هر سيستم آزموده مي‌گردد. اين آزمايشات بر پايه مشاهدات تجربي بوده و تاخيرات به وجود آمده در پيکره‌بندي‌هاي مختلف اين لينک‌ها و حلقه‌ها در ارسال و دريافت اطلاعات مورد بررسي قرار مي‌گيرد. در واقع با بررسي تاخير شبکه، زمان حقيقي بودن سيستم بررسي خواهد گرديد.

شکل ‏1‑5: معماری اصلی سیستم متشکل از لينک‌هاي اترنت و پروفيباس

شکل ‏1‑6: معماری شبیه سازی شده متشکل از لينک‌هاي اترنت و پروفيباس

فصل دوم

عرفی شبکه‌های صنعتی

(اترنت و پروفیباس)

2- معرفی شبکه‌های صنعتی

(اترنت و پروفیباس)

2-1- مقدمه:

منظور از شبکه‌های صنعتی، بکارگیری سیستم‌های سخت افزاری/ نرم افزاری لازم و ایجاد معماری مناسب برای تبادل اطلاعات در محیط‌های صنعتی است. این تبادل اطلاعات، که به منظور عملکرد بهتر سیستم‌های کنترلی خواهد بود، می‌تواند تبادل اطلاعات دیجیتال بین سیستم‌های کنترلی (DCS/FCS/PLC) یا عناصر اولیه کنترل (مانند حسگرها یا دستگاههای اندازه گیری) و یا عناصر نهایی کنترل را شامل شود. در اولین
سیستم‌های کنترل فرآیند، انتقال اطلاعات به صورت آنالوگ انجام می‌گرفت، که این انتقال با روش‌های پنوماتیک یا جریان الکتریکی آنالوگ صورت می‌گرفت. سیستم کنترل فرآیند از دستگاه‌های ساده ای تشکیل می‌شد که سیگنالهای ساده ای را برای ارتباط با یکدیگر به کار می‌گرفتند. با تحول در مدارهای الکترونیکی و ظهور کامپیوتر‌های اولیه، سیستم‌های کنترل الکترونیکی به وجود آمدند که انتقال اطلاعات در آنها با جریان الکتریکی آنالوگ صورت می‌گرفت، که این سیستم‌ها به دلیل وجود کامپیوترهای مرکزی بزرگ، بسیار گران و غیر قابل اعتماد بودند.سپس با تحول در صنعت مدارهای مجتمع و کوچکتر شدن کامپیوتر‌ها، سیستم‌های کنترل گسترده به وجود آمدند که در آنها وظایف کنترلی بین اجزای مختلف تقسیم شده و ارتباط در این
سیستم‌ها به صورت نقطه به نقطه بود. با پیشرفت فن آوری و پیدایش سیستم‌های کامپیوتری از يک طرف و انتظارات مصرف کنندگان برای بهبود کیفیت اجناس مصرفی از طرف دیگر، سیستم‌های کنترلی پیچیده‌تري پديدار گرديد [1].

[1] Computer Integrated Manufacturing

[2] Distributed computer Control System

[3] Mimic

[4] Human Machine Interface

[5] Industrial Ethernet

[6] Actuator Sensor Interface

[7] Recorder

[8] Process Logic Controller

[9] Distributed Control System

[10] Manufacturing Execution System

[11] Profibus

[12] Supervisory

[13] Open System Interconnection

[14] Real-Time