پروتکل های ارتباطی در اتوماسیون

تاریخچه مختصر ارتباطات

امروزه اینترنت دنیای کامپیوتر و ارتاباطات را دچار تحولی عظیم نموده است. اختراع تلگراف، تلفن، رادیو، کامپیوتر همه مقدمه‌ ای برای اجماع بی‌سابقه امکاناتی نظیر توانایی پخش جهانی، مکانیسمی برای انتشار اطلاعات و  محیطی برای تعامل افراد و کامپیوتر ها بدون توجه به موقعبت جغرافیایی آنان گردید.
انتقال داده به بخشی مهم از زندگی روزمره مردم تبدیل شده است. با گسترش سریع اینترنت، شبکه ‌های تلفن‌همراه و نیاز فزاینده سازمان ‌ها برای ارتباط سریع و موثر با مشتریان، تامین کنندگان خدمات و کالا و کارکنان این اهمیت را چندان گردانیده است. نیاز به تبادل داده، ناشی از چندین عامل می‌باشد که اولین آن نیاز بشر به تبادل اطلاعات می‌باشد. در اواسط قرن 19 و با ظهور تلگراف و متعاقبا تلفن‌ و ارتباطات رادیویی امکان تبادل اطلاعات فیمابین نقاط مختلف جهان بشکل بلادرنگ فراهم گردید. پس از سالیان متمادی از توسعه کامپیوتر نیاز به دسترسی از راه دور به اطلاعات کامپیوتر ظاهر گردید. در ابتدا از این روش برای ارتباط بین کامپیوتر ها و ماشین ‌های چاپ استفاده شد. در زمان ورود کامپیوتر های شخصی به بازار توسط IBM در سال 1981 امکان شبکه نمودن آن ‌ها در نظر گرفته نشده بود، ولی به زودی کاربران دریافتند که نیاز به شبکه برای انتقال اطلاعات بین این ماشین ‌ها و برای دسترسی به اطاعات کامپیوتر اصلی الزامی می‌باشد. آن‌ ها شروع به اتصال کامپیوتر ها به کامپیوتر های اصلی با استفاده از نرم‌افزار های همسان‌ساز ترمینال‌ها و مودم نمودند. همچنین آن‌ ها دریافتند که نصب یک مودم و چاپگر برای هر کامپیوتر بسیار هزینه ‌بر و گزاف خواهد بود و  می‌توان این هزینه ‌ها را با به اشتراک گذاشتن آن‌ ها بین کامپیوتر ها کاهش داد. این فرآیند منجر به ظهور شبکه‌ های کامپیوتری محلی (LAN ) گردید. که امکان دسترسی وسیع به سرویس دهنده ‌ها را برای ذخیره فایل‌ ها، اشتراک چاپگر ها و مودم‌ ها فرام می‌ساخت. با اجرا این برنامه‌ ها استفاده از تجهیزات اقتصادی ‌تر گشت. قدم بعدی اتصال کلیه PC ها، میکروکامپیوتر ها و کامپیوتر های اصلی به این شبکه بود. در ابتدا این ارتباط به صورت محلی و اختصاصی انجام می‌شد ولی در نهایت به سمت استاندارد های اینترنت پیش رفت. بدون شک بزرگترین شبکه کامپیوتری جهان شبکه اینترنت می‌باشد که سیرتکاملی آن از حدود 40 سال پیش آغاز شد. 
اولین ارتباط بین کامپیوتری جهان در سال 1965 توسط یکی از محققین دانشگاه MIT به نام L.G.Roberts بین دو کامپیوتر در کالیفرنیا و ماساچوست توسط یک خط تلفن کم سرعت ایجاد گردید.
در سال 1966 Roberts به آژانس پروژه ‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) پیوست و در سال 1967 طرح خود برای ARPANET را مطرح ساخت. پس از آن با تحقیق و توسعه این رویکرد در پایان سال 1969 چهار کامپیوتر از طریق طرح اولیه ARPANET به یکدیگر متصل شدند و بدین ترتیب پرونده شروع به کار اینترنت آغاز شد. بنابراین برای سامان دهی این ارتباطات نیاز به یک قانون احساس شد که بدین ترتیب پروتکل TCP/IP  به عنوان مرجعی برای این ارتباط معرفی شد.

روش های برقراری ارتباط بین دو دستگاه

روش ‌های ارتباطی بین دو دستگاه (مثلا بین دو کامپیوتر) بستگی به نوع شبکه مربوطه دارد که در ادامه به تشریح آن ها خواهیم پرداخت. شبکه ‌های داده را می‌توان بر اساس مبانی مختلف به شرح زیر تقسیم بندی کرد.

1. بر اساس وسعت جغرافیایی

   شبکه ‌ها را می‌توان از بعد مسافت بین کامپیوتر ها موجود به صورت زیر دسته بندی کرد:

   فاصله	مثال	عنوان
   درحد چند متر	ارتباط کانپیوتر با وسایل شخصی در فاصله نزدیک	PAN
   10 متر	اتاق	LAN
   100متر	ساخنمان	LAN
   1000متر	مجموعه ساختمانی	LAN
   10کیلومتر	شهر	WAN
   100کیلومتر	استان	WAN
   1000کیلومتر	کشور	WAN
   10000کیلومتر	زمین	internet

    

2. فناوری انتقال داده
   • شبکه های پخش
   • شبکه های نقطه به نقطه

ethernet اترنت 

این فناوری توسط شرکت زیراکس ابداع گردید و سپس به همراهی شرکت‌ های اینتل و دیجیتال نسخه اصلی آن تهیه گردید. این شبکه براساس توپولوژی باس و پروتکل CSMA/CD  کار می‌نماید و متداول ترین شبکه است. سرعت انتقال داده ‌ها در ابتدا (نوع کلاسیک) 10 Mbps بود . سپس به 100 Mbps (اترنت سریع) و 1 گیگابیت بر ثانیه و اخیراٌ به 10 گیگابیت بر ثانیه افزایش یافته است و انواع کابل ‌ها را می‌توان مورد استفاده قرار داد. در پروتکل CSMA/CD هر ایستگاه به یک کابل مسی متصل است و قبل از انتقال داده از عدم ارسال داده توسط سایر ایستگاه ‌ها باید اطمینان حاصل شود. چنانچه کابل اشغال باشد، ایستگاه متقاضی ارسال باید تا رها شدن آن صبر کرده و سپس انتقال داده را آغاز کند. در هنگامی که ایستگاه دیگری نیز اقدام به ارسال داده نماید، تصادم اتفاق خواهد افتاد و هر دو ایستگاه ارسال داده را متوقف کرده و پس از یک مدت انتظار تصادفی  مجددا اقدام به ارسال داده می‌نماید. چنانچه مجددا تصادم ایجاد شود همین روند برای دفعات زیادی تکرار می‌شود.
اولین کابل مورد استفاده در اترنت کابل کواکسیال معروف به Thick Ethernet بود که به دلیل شرایط کاری در سرعت 10 مگابیت بر ثانیه و باند پایه و پشتیبانی تا حداکثر 500 متر فاصله به نام 10Base5 شناخته می‌شود. در سال های بعد کابل‌ های دیگری نیز معرفی شدند که در جدول زیر آمده است.
 

foundation fieldbus(فیلد باس)

انجمن فیلدباس، تعریف ذیل را برای فیلدباس ارائه می‌دهد. فیلدباس ارتباطی سری، دوطرفه و دیجیتال می‌باشدکه تجهیزات لایه فیلد نظیر سنسور های هوشمند را به کنترلرها و عملگر ها متصل می‌کند.فیلدباس یک شبکه محلی برای تجهیزات اندازه‌گیری و عملگر ها در اتوماسیون  و خطوط تولید و فرآیند های صنعتی با قابلیت توزیع اعمال کنترلی در سطح شبکه می‌باشد. استراتژی فیلدباس مبتنی بر پخش اعمال کنترلی در بین وسایل فیلد و در سطح شبکه با بهره‌گیری از توان موجود در میکروپروسسور های مورد استفاده در تجهیزات در کنار ارتباط سریع و قابل اطمینان از طریق باس است.استفاده از تکنولوژی فیلدباس در فرآیند های با تعداد زیاد ورودی و خروجی دارای معایب و مزایای بی‌شماری است که از بین آن‌ها می‌توان به طور خلاصه به افزایش طول عمر سیستم‌های کنترلی، کاهش سخت افزار، نصب وسایل متعدد با یک زوج سیم و در نتیجه کاهش سیم‌کشی ‌ها، افزایش کمیت و کیفیت داده‌ ها و قابلیت خودنگهداری اشاره کرد.
لازم به ذکر است که  فیلدباس یک تکنولوژی پروتکل باز است، به این معنا که وسایل سازگار با فیلدباس تولید شده توسط سازندگان مختلف می‌توانند کنار یکدیگر بدون کوچکترین تاثیری در کارایی عمل نمایند. به این ویژگی خاصیت همکاری متقابل  می‌گویند.
پیکربندی شبکه و تجهیزات

 در یک سیستم مدرن اتوماسیون فرآیند مبتنی بر فیلدباس، کارشناسان باید شبکه را همراه با تجهیزات براساس استراتژی کنترل پیکربندی نمایند. با توجه به وابستگی این موارد بهتر است از یک ابزار واحد و یک پارچه برای این امر استفاده نمود. معمولا ابزار پیکربندی امکان تغییر استراتژی را به صورت خارج از خط  و یا روی خط  می‌دهد، به دلیل مسائل ایمنی تغییرات نوع دوم فقط محدود به تغییر مقادیر پارامتر ها می‌باشد. پیکربندی معمولا در فاز مهندسی بصورت خارج از خط انجام شده و تغییرات محدودی به صورت روی خط و در هنگام بهره‌برداری سیستم ممکن خواهد بود.
پیکربندی شبکه شامل تخصیص شبکه ها به پورت های ارتباطی و تجهیزات واسط و همچنین تنظیم پارامترهای ارتباطی می‌باشد. پیکربندی تجهیزات مختلف شامل انتخاب آن‌ها و نوع عملگر ها، نوع سنسور ها و موارد مشابه می‌باشد.
امروزه امر پیکربندی عموما از طریق یک نرم‌افزار با واسط گرافیکی توسط یک کامپیوتر انجام می‌شود. پیکربندی تمامی تجهیزات بدون نیاز به اتصال فیزیکی به آن‌ها به شکل نرم‌افزاری و خارج از خط صورت پذیرفته و در یک فایل ذخیره می‌شود، پس از نصب تجهیزات این پیکربندی به آن ها منتقل می‌شود. معمولا تنظیمات زیادی باید بر روی تجهیزات انجام شود تا مجموعه سیستم آماده به کار شود، ولیکن قسمت عمده آن به صورت اتوماتیک انجام می‌شود.
از دید کاربر پیکربندی شبکه شامل تعریف سلسله مراتب شبکه های مختلف موجود در اتوماسیون فرآیند می‌باشد. در فیلدباس‌های مختلف این پیکربندی به شکل‌های متفاوت انجام می‌شود ولیکن معمولا هر فیلدباس توپولوژی‌های رایج را در هر قسمت   پشتیبانی می‌کند. برای تشکیل هر قسمت توپولوژی‌ های مختلفی بشرح زیر وجود دارد:

1. درخت

   

2. نقطه

   

3. bus with spur

   

   برای تشکیل شبکه ‌ها از ترکیب توپولوژی‌ های فوق نیز می‌توان استفاده کرد که مبنای انتخاب آن‌ ها بستگی به کاربر دراد.

پروتکل hart

یکی از پروتکل ‌های رایج انتقال اطاعات پروتکل HART می‌باشد که برای ارتباط بین تجهیزات هوشمند و سیستم‌ های کنترلی توسط HART Communication Foundation  ابداع شده است. انتقال سیگنال به شکل جریان بین 4-20 میلی آمپر است و تجهیزات نیز هوشمند می‌باشند. انتقال اطلاعات به دو صورت آنالوگ و دیجیتال به شکل همزمان صورت می‌گیرد.

در تجهیزات هوشمند (ترانسمیتر ها و عملگر ها) از سامانه میکروپروسسوری استفاده می‌شود و به این ترتیب کارآرایی ‌های بیشتری نظیر پیکربندی تجهیزات، اندازه‌گیری ‌های مختلف، کالیبراسیون، عیب‎یابی جبران سازی دما و جبران ‌سازی دیجیتالی ارئه شده است. در پروتکل HART از روش مدولاسیون براساس FSK ، استاندارد Bell202 برای همراه کردن اطلاعات دیجیتال بر روی سیگنال 4-20 میلی آمپر استفاده می‌کند. همانطور که در شکل زیر پیداست، اطاعات دیجیتال بر روی سیگنال 4-20 میلی آمپر سوارشده و به کنترل‌کننده ارسال می‌گردد. مقدار یک(high) با فرکانس 1200 هرتز و مقدار صفر (low) با فرکانس 2200 هرتز مشخص می‌شوند. این روش انتقال برای مناطق انفجاری نیز مناسب می‌باشد. این پروتکل با نرخ 1200 بیت بر ثانیه بدون اختلال در سیگنال آنالوگ به تبادل داده اقدام می‌نماید. در این وضعیت یک کامپیوتر یا کنترل‌کننده ارباب  می‌تواند دو یا بیشتر داده بهنگام شده از تجهیزات سطح فیلد دریافت نماید. نکات زیر در مورد این پروتکل قابل توجه می‌باشد:

1. HART توسط تولیدکننده ‌های بزرگ حمایت می‌شود.
2. استراتژی قدیمی کنترل بدلیل استفاده همزمان از سیگنال 4-20 میلی آمپر حفظ می‌شود.
3. قابل انطباق با وسیله ‌های قدیمی می‌باشد.
4. اطلاعات مهمی در مورد نصب و نگهداری تجهیزات در اختیار قرار می‌دهد، مانند: کدشناسایی، نام شناسه‌دستگاه، مقدار اندازه‌گیری شده، محدوده اندازه‌گیری دستگاه و اطلاعات دستگاه.
5. صرفه جویی در مصرف کابل به روش Multidrop Networks 
6. صرفه جویی در هزینه‌ های جاری بوسیله مدیریت بهتر وسیله‌ های هوشمند.

پروتکل HART اصولا یک پروتکل ارباب/ برده است که تجهیزات فیلد بصورت برده و کنترل‌کننده ‌ها به صورت ارباب می‌باشند. تجهیزات فقط زمانیکه توسط یک ارباب خوانده شوند به تبادل داده می‌پردازند.

mudbus(مدباس)

مدباس یک پروتکل انتقال اطلاعات در لایه کاربر یعنی لایه 7 از مدل OSI می‌باشد. در این پروتکل از روش ارباب / برده برای ارتباط بین وسیله‌ های موجود در شبکه استفاده می‌شود. مدباس در حقیقت پروتکلی براساس عرضه/تقاضا می‌باشد. در این روش یک ارباب و چندین برده وجود دارد. ارباب از برده ‌ها مطابق شکل درخواست اطلاعات کرده و آن ‌ها به این درخواست پاسخ مناسب می‌دهند. این درخواست می‌تواند عام یا خاص باشد.انتقال اطلاعات در مدباس دارای قالب خاصی بوده که شامل چهار قسمت می‌باشد.  

در قالب ارباب این درخواست بخش‌های آدرس گیرنده پیام، کداجرایی، داده مورد نظر و بررسی خطا وجود دارد. در قسمت کد اجرایی درخواست، مشخص کننده عملیات ویژه‌ای است که برده باید انجام دهد. قسمت داده شامل اطلاعات اضافی برای اجرای کد اجرایی می‌باشد. قسمت آخر درخواست، مسئول بررسی صحت پیام ارسال شده است.
قالب پاسخ برده نیز کاملا مشابه درخواست برده می‌باشد. اگر برده پاسخ نرمال به درخواست ارباب دهد، کد این قسمت مشابه کد درخواست و قسمت داده مقادیر مورد درخواست می‌باشد. در صورت بروز خطا در دریافت پیام و یا پاسخ برده در قسمت کد اجرایی کدی متناسب با خطای ایجاد شده قرار خواهد داد. انواع مختلف وسیله‌ ها ازجمله واسط‌ های ارتباطی کاربر، PLC، دستگاه ‌های ورودی/خروجی و غیره را می‌توان به کمک پروتکل ‌های مدباس به یکدیگر متصل نمود.