شبکه و ارتباطات صنعتی

مقدمه

در یک ماشین ساده ممکن است بیشتر سیگنال‌ها مستقیماً از طریق ورودی و خروجی‌های PLC منتقل شوند، اما با افزایش تعداد تجهیزات، فاصله فیزیکی و حجم اطلاعات، ارتباط نقطه‌به‌نقطه دیگر همیشه راهکار مناسبی نیست.

در بسیاری از سیستم‌های امروزی، PLC باید هم‌زمان با HMI، چند Drive، Remote I/O، تجهیزات اندازه‌گیری یا حتی PLCهای دیگر تبادل اطلاعات داشته باشد.

در چنین شرایطی شبکه صنعتی به یکی از اجزای اصلی معماری سیستم کنترل تبدیل می‌شود.

طراحی این شبکه فقط به متصل‌کردن چند کابل محدود نیست؛ پروتکل، توپولوژی، آدرس‌دهی، ظرفیت شبکه، شرایط محیطی و رفتار سیستم هنگام قطع ارتباط نیز باید از ابتدا مشخص شوند.

مسئله صنعتی

یکی از مشکلات رایج در پروژه‌های اتوماسیون، توسعه شبکه بدون معماری مشخص است.

تجهیزات به‌تدریج اضافه می‌شوند، آدرس‌ها بدون ساختار تعیین می‌شوند و ارتباطات مختلف بدون مستندسازی کافی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.

نتیجه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• قطع ارتباط‌های مقطعی
• دشواری عیب‌یابی
• تداخل یا اشتباه در آدرس‌دهی
• وابستگی زیاد سیستم به یک مسیر ارتباطی
• افزایش پیچیدگی هنگام توسعه
• تشخیص دشوار تجهیز معیوب
• رفتار نامشخص سیستم هنگام Communication Fault

هدف معماری شبکه صنعتی این است که ارتباطات سیستم از ابتدا ساختاری مشخص، قابل نگهداری و قابل توسعه داشته باشند.

معماری پیشنهادی

یک معماری عمومی می‌تواند به شکل زیر باشد:

HMI ↔ Industrial Network ↔ PLC ↔ Remote I/O / Drives / Controllers

در این ساختار PLC معمولاً مرکز منطق کنترلی است، اما اطلاعات مورد نیاز خود را از تجهیزات مختلف شبکه دریافت کرده و فرمان‌های لازم را نیز از طریق همان زیرساخت ارسال می‌کند.

PLC

PLC اطلاعات تجهیزات مختلف را دریافت کرده و بر اساس منطق ماشین یا فرآیند تصمیم‌گیری می‌کند.

HMI

HMI برای نمایش وضعیت سیستم، Alarmها، مقادیر فرآیندی و فرمان‌های اپراتوری با PLC یا سایر منابع مجاز ارتباط برقرار می‌کند.

Remote I/O

Remote I/O امکان قرار دادن ورودی و خروجی‌ها در نزدیکی تجهیزات Field را فراهم می‌کند و می‌تواند نیاز به کابل‌کشی طولانی تا تابلو اصلی را کاهش دهد.

Drive و تجهیزات هوشمند

Driveها، کنترلرها و برخی تجهیزات اندازه‌گیری می‌توانند علاوه بر فرمان‌های اصلی، اطلاعات Diagnostics و وضعیت عملیاتی خود را از طریق شبکه منتقل کنند.

انتخاب پروتکل ارتباطی

یک پروتکل واحد برای تمام پروژه‌ها بهترین انتخاب نیست.

انتخاب باید بر اساس تجهیزات موجود، نوع داده، سرعت مورد نیاز، فاصله، قابلیت‌های کنترلر و الزامات پروژه انجام شود.

Modbus RTU

Modbus RTU معمولاً روی ارتباط سریال مانند RS-485 استفاده می‌شود و در بسیاری از تجهیزات صنعتی همچنان رایج است.

این روش می‌تواند برای ارتباط با تجهیزاتی مانند:

• درایوها
• کنترلرهای دما
• پاورمترها
• تجهیزات اندازه‌گیری
• برخی Remote I/Oها

مناسب باشد.

Modbus TCP

Modbus TCP امکان استفاده از ساختار Modbus روی شبکه Ethernet را فراهم می‌کند.

این روش می‌تواند برای ارتباط میان تجهیزاتی که Ethernet و Modbus TCP را پشتیبانی می‌کنند استفاده شود و نسبت به شبکه سریال امکان ایجاد معماری متفاوتی را فراهم می‌کند.

سایر شبکه‌های صنعتی

بسته به برند و تجهیزات پروژه ممکن است پروتکل‌ها و فناوری‌های دیگری مانند:

• PROFINET
• EtherNet/IP
• EtherCAT
• CANopen

نیز مورد استفاده قرار گیرند.

انتخاب باید بر اساس نیاز واقعی پروژه و قابلیت رسمی تجهیزات انجام شود.

توپولوژی شبکه

نحوه اتصال فیزیکی تجهیزات بخش مهمی از طراحی شبکه است.

بسته به تجهیزات و فناوری مورد استفاده، ساختار شبکه می‌تواند متفاوت باشد.

Star

در توپولوژی Star تجهیزات از طریق یک Switch مرکزی به شبکه متصل می‌شوند.

این ساختار معمولاً عیب‌یابی و مدیریت مسیرهای ارتباطی را ساده‌تر می‌کند.

Line

در برخی تجهیزات صنعتی امکان ایجاد اتصال خطی بین دستگاه‌ها وجود دارد.

این روش می‌تواند کابل‌کشی را ساده‌تر کند، اما اثر خرابی یک تجهیز یا لینک بر ادامه مسیر باید بررسی شود.

Ring

در شبکه‌هایی که تجهیزات و پروتکل مورد استفاده از Redundancy مناسب پشتیبانی می‌کنند، ساختار Ring می‌تواند برای ایجاد مسیر ارتباطی جایگزین مورد استفاده قرار گیرد.

استفاده از Ring به‌تنهایی به معنی Redundancy نیست و باید قابلیت تجهیزات و پروتکل مربوطه بررسی شود.

آدرس‌دهی و ساختار شبکه

آدرس‌دهی بدون برنامه می‌تواند نگهداری سیستم را در آینده دشوار کند.

بهتر است برای تجهیزات یک ساختار مشخص تعریف شود.

برای مثال می‌توان محدوده‌های جداگانه‌ای برای:

• PLCها
• HMIها
• Driveها
• Remote I/Oها
• تجهیزات مانیتورینگ

در نظر گرفت.

هدف این نیست که صرفاً IPها مرتب به نظر برسند؛ بلکه تکنسین یا مهندس بتواند از روی مستندات به‌سرعت تجهیز مورد نظر را پیدا کند.

ارتباط PLC با HMI

ارتباط PLC و HMI یکی از رایج‌ترین ارتباطات در سیستم‌های اتوماسیون است.

HMI معمولاً اطلاعاتی مانند موارد زیر را از PLC دریافت می‌کند:

• وضعیت تجهیزات
• مقادیر فرآیندی
• Mode ماشین
• Alarmها
• Faultها
• وضعیت ارتباطات

و در جهت مقابل می‌تواند فرمان‌ها یا Setpointهای مجاز اپراتور را به PLC منتقل کند.

ساختار Tagها و داده‌های تبادلی باید مشخص باشد تا توسعه HMI باعث آشفتگی در منطق PLC نشود.

ارتباط PLC با Drive

استفاده از شبکه برای ارتباط با Drive می‌تواند امکان انتقال اطلاعات بیشتری نسبت به فرمان‌های ساده دیجیتال فراهم کند.

بسته به Drive و پروتکل، اطلاعاتی مانند موارد زیر ممکن است قابل تبادل باشند:

• Run Command
• Speed Reference
• Ready
• Running
• Fault
• Actual Speed
• Current
• Diagnostic Data

با این حال، ساختار دقیق داده‌ها باید بر اساس مستندات همان Drive طراحی شود.

Remote I/O

در سیستم‌هایی که سنسورها و عملگرها در فاصله زیادی از تابلو اصلی قرار دارند، Remote I/O می‌تواند معماری کابل‌کشی را بهبود دهد.

به‌جای انتقال تعداد زیادی سیم مجزا تا تابلو اصلی، یک ایستگاه I/O در نزدیکی تجهیزات نصب می‌شود و اطلاعات از طریق شبکه به PLC منتقل می‌شوند.

این روش می‌تواند در پروژه‌هایی مانند:

• خطوط تولید طولانی
• سیستم‌های کانوایری
• ماشین‌آلات بزرگ
• خطوط فرآیندی
• تأسیسات گسترده

کاربرد داشته باشد.

مدیریت Communication Fault

قطع ارتباط بخشی طبیعی از سناریوهای خطای یک شبکه است و باید رفتار سیستم در چنین شرایطی از قبل مشخص شود.

برای هر ارتباط باید پاسخ چند سؤال روشن باشد:

• اگر ارتباط قطع شد چه اتفاقی می‌افتد؟
• PLC چگونه قطع ارتباط را تشخیص می‌دهد؟
• آخرین مقدار دریافت‌شده معتبر باقی می‌ماند یا خیر؟
• تجهیز باید متوقف شود یا امکان ادامه کار دارد؟
• چه Alarmی نمایش داده می‌شود؟
• پس از بازگشت ارتباط، Resume چگونه انجام می‌شود؟

نادیده گرفتن این موارد می‌تواند باعث رفتار غیرقابل پیش‌بینی سیستم شود.

Diagnostics و عیب‌یابی شبکه

یک شبکه صنعتی مناسب باید امکان تشخیص وضعیت ارتباطات را فراهم کند.

در HMI یا سیستم Diagnostics می‌توان مواردی مانند:

• Online / Offline
• Communication Fault
• Device Fault
• Timeout
• وضعیت لینک

را نمایش داد.

هدف این است که هنگام خرابی، تکنسین مجبور نباشد برای پیدا کردن تجهیز قطع‌شده کل شبکه را از ابتدا بررسی کند.

تفکیک خطای تجهیز و خطای ارتباط

این دو وضعیت نباید با یکدیگر اشتباه گرفته شوند.

ممکن است Drive سالم باشد اما PLC نتواند با آن ارتباط برقرار کند.

یا ممکن است ارتباط کاملاً برقرار باشد ولی خود Drive دارای Fault باشد.

در طراحی Alarmها بهتر است این دو حالت جداگانه مشخص شوند:

Device Fault

و

Communication Fault

این تفکیک می‌تواند عیب‌یابی را بسیار سریع‌تر کند.

مستندسازی شبکه

مستندات شبکه باید بخشی از خود پروژه باشد.

اطلاعات مفید می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• Network Diagram
• IP Address List
• Device Name
• Protocol
• Node Address
• Port یا Interface
• مسیر کابل
• تنظیمات اصلی ارتباط
• نسخه Backup تنظیمات در صورت نیاز

بدون این اطلاعات، حتی یک شبکه کوچک نیز ممکن است پس از چند سال برای تیم نگهداری مبهم شود.

ملاحظات امنیتی

اتصال تجهیزات صنعتی به شبکه باید کنترل‌شده باشد.

شبکه کنترل صنعتی نباید بدون بررسی معماری و نیاز عملیاتی مستقیماً در معرض شبکه‌های عمومی یا اینترنت قرار گیرد.

سطح دسترسی، تفکیک شبکه‌ها، Remote Access، مدیریت حساب‌ها و به‌روزرسانی تجهیزات باید متناسب با ریسک و معماری واقعی سیستم بررسی شوند.

در پروژه‌هایی که شبکه OT به شبکه‌های IT یا سرویس‌های بیرونی متصل می‌شود، طراحی امنیتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

مزایای معماری مناسب شبکه صنعتی

طراحی صحیح شبکه می‌تواند به موارد زیر کمک کند:

• کاهش پیچیدگی ارتباطات
• توسعه آسان‌تر سیستم
• عیب‌یابی سریع‌تر
• دسترسی به Diagnostics تجهیزات
• کاهش کابل‌کشی در برخی معماری‌ها
• ارتباط منظم PLC، HMI و Driveها
• مدیریت بهتر تجهیزات توزیع‌شده
• مستندسازی و نگهداری ساده‌تر

این راهکار برای چه کاربردهایی مناسب است؟

شبکه و ارتباطات صنعتی می‌تواند در بسیاری از سیستم‌ها مورد استفاده قرار گیرد، از جمله:

• خطوط تولید
• ماشین‌آلات چندبخشی
• خطوط کانوایری
• سیستم‌های دارای چند PLC
• شبکه‌های HMI و PLC
• سیستم‌های دارای چند Drive
• Remote I/O
• تأسیسات صنعتی
• سیستم‌های مانیتورینگ

نوع شبکه و پروتکل باید برای هر پروژه بر اساس تجهیزات و نیاز واقعی انتخاب شود.

جمع‌بندی

شبکه صنعتی ستون ارتباطی یک سیستم اتوماسیون توزیع‌شده است.

زمانی که PLC، HMI، Drive، Remote I/O و سایر تجهیزات باید اطلاعات خود را با یکدیگر تبادل کنند، انتخاب پروتکل تنها یکی از تصمیم‌های طراحی است.

توپولوژی، آدرس‌دهی، Diagnostics، رفتار هنگام قطع ارتباط و مستندسازی نیز باید بخشی از معماری باشند.

یک شبکه صنعتی مناسب باید علاوه بر برقراری ارتباط، قابل فهم، قابل عیب‌یابی و قابل توسعه باشد.