معرفی
سیستم انتقال اطلاعات صنعتی به مجموعه‌ای از تجهیزات و پروتکل‌ها گفته می‌شود که برای انتقال داده‌ها بین ماشین‌آلات، تجهیزات، حسگرها و سامانه‌های مدیریتی در محیط‌های صنعتی طراحی شده‌اند. و در انواع صنایع مانند خودروسازی، پتروشیمی، مواد غذایی، و داروسازی برای پایش و کنترل فرآیندهای تولید استفاده می‌شوند. در ادامه به بررسی کامل این سیستم‌ها، تاریخچه، اجزا، پروتکل‌ها، مزایا و معایب و کاربردهای آن پرداخته می‌شود.
اجزا و معماری
یک سیستم انتقال اطلاعات صنعتی از چندین جزء اصلی تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر، اطلاعات را از نقاط مختلف یک فرآیند صنعتی جمع‌آوری، پردازش و ارسال می‌کنند. این اجزا عبارتند از:
حسگرها و عملگرها: حسگرها اطلاعات را از محیط جمع‌آوری می‌کنند، مانند دما، فشار، یا سرعت. عملگرها واکنش‌های مشخصی به این اطلاعات دارند، مثلاً روشن یا خاموش کردن یک ماشین.
کنترلرها(PLC/DCS): کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) وظیفه پردازش داده‌ها و ارسال دستورات به عملگرها را بر عهده دارند.
رابط‌های شبکه: رابط‌های شبکه برای اتصال حسگرها، کنترلرها، و سایر تجهیزات به شبکه ارتباطی استفاده می‌شوند.
پروتکل‌های ارتباطی: پروتکل‌های مختلف مانند Modbus، Profibus و EtherCAT برای استانداردسازی تبادل اطلاعات در سیستم‌های صنعتی به کار می‌روند.
پروتکل‌های ارتباطات صنعتی چیست؟
پروتکل‌های ارتباطات صنعتی مجموعه‌ای از قوانین هستند که نحوه تبادل داده‌ها در یک فرآیند صنعتی را تعیین می‌کنند. این پروتکل‌ها زبان‌های استانداردی هستند که ماشین‌ها و دستگاه‌ها برای تعامل با یکدیگر استفاده می‌کنند، چه برای انتقال اطلاعات، دریافت دستورات یا هر دو.
این پروتکل‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که شرایط سخت محیط صنعتی را تحمل کنند، شرایطی که اغلب شامل سطح بالای نویز الکتریکی است. همچنین نیاز به قابلیت اطمینان بالا و تأخیر کم دارند به همین دلیل، آن‌ها بر اساس معیارهای عملکردی سختگیرانه ساخته شده‌اند.
تاریخچه پروتکل‌های ارتباطات صنعتی
تاریخ پروتکل‌های ارتباطات صنعتی با تاریخچه اتوماسیون صنعتی در هم تنیده است. در ابتدا، پروتکل‌های اختصاصی رایج بودند، زیرا برای کار با تجهیزات یک سازنده خاص طراحی شده بودند. اما با آشکار شدن نیاز به قابلیت همکاری و استانداردسازی، پروتکل‌های باز و استاندارد شروع به گسترش یافتند.
چرا پروتکل‌های صنعتی مختلفی وجود دارد؟
دلیل وجود پروتکل‌های صنعتی مختلف این است که این پروتکل‌ها به‌طور تاریخی توسط شرکت‌های فروشنده تجهیزات صنعتی توسعه داده شده‌اند. هر فروشنده برای حل مشکلات خاص یا ایجاد مزیت رقابتی، پروتکل‌های اختصاصی خود را طراحی کرده است که به شبکه‌سازی تجهیزات و سیستم‌های خاص کمک می‌کرد.
با این حال، با افزایش نیاز به اتصال‌پذیری بین دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف، استانداردهایی ایجاد شده‌اند تا شکاف بین این پروتکل‌های ناسازگار را پر کنند و به تولیدکنندگان این امکان را بدهند که بدون وابستگی به یک فروشنده خاص، بتوانند از راهکارهای منعطف و قابل همکاری استفاده کنند.
پروتکل‌های متداول ارتباطات صنعتی
پروتکل‌های صنعتی رایج برای ارتباطات عبارتند از:
Ethernet/IP :
EtherNet/IP یک پروتکل ارتباطی استاندارد است که در اتوماسیون صنعتی و ارتباطات اینترنت اشیا (IoT) استفاده می‌شود. این پروتکل یک استاندارد پذیرفته شده است که تحت استانداردهای موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) با پروتکل TCP/IP پوشش داده می‌شود.
پایبندی EtherNet/IP به استانداردهای سازگاری IEEE 802.3 به آن امکان می‌دهد تا لایه‌های فیزیکی و پیوند داده‌ها را برای ارتباطات Ethernet و ارتباطات بی‌سیم به‌طور قدرتمند مدیریت کند. تصویر زیر اجزای EtherNet/IP را در مدل OSI نشان می‌دهد، که چارچوبی است که هفت لایه‌ای را که توسط سیستم‌های رایانه‌ای برای ارتباط از طریق یک شبکه استفاده می‌شود توصیف می‌کند:
EtherNet/IP برای ارتباط بین دستگاه‌های متصل استفاده می‌شود. این پروتکل امکان ارتباطات لحظه‌ای را برای تغذیه پلتفرم‌های داده‌های ماشین و ارائه بینش‌ها به کاربر یا ماشین برای استفاده فراهم می‌کند. می‌توان از EtherNet/IP برای بسیاری از دستگاه‌ها، از جمله دستگاه‌هایی که به کنترل‌کننده‌ها متصل نیستند، استفاده کرد. این دستگاه‌ها شامل PLCها، کنترل‌کننده‌ها، دستگاه‌های بی‌سیم، گره‌های محاسباتی لبه، حسگرها، دستگاه‌های رباتیک و موارد دیگر هستند. و در حالی که سخت‌افزار فیزیکی ممکن است هنوز یک کابل باشد، اما همچنین ارتباطات بی‌سیم مانند بلوتوث را نیز امکان‌پذیر می‌سازد. این دستگاه‌ها میلیون‌ها نقطه داده‌ای را که ماشین‌ها در کف کارخانه تولید می‌کنند، ارتباط می‌دهند. این داده‌ها می‌توانند به یک پلتفرم داده‌های ماشین مبتنی بر ابر برای پردازش و تحلیل ارسال شوند. EtherNet/IP این انتقال داده‌های لحظه‌ای را ممکن می‌سازد.
MODBUS :
(Modbus) یک پروتکل ارتباطی سری است که توسط شرکت (Modicon) در سال 1979 برای استفاده با (کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر) (PLC) خود منتشر شد. به زبان ساده، این یک روش برای انتقال اطلاعات از طریق خطوط سری بین دستگاه‌های الکترونیکی است.
(Modbus) قدیمی‌ترین پروتکل ارتباطی اتوماسیون صنعتی است و در انواع و برندهای مختلف دستگاه‌ها ارائه می‌شود. این یک زبان مشترک است که برای اتصال دستگاه‌ها و تجهیزات اتوماسیون استفاده می‌شود و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در کارخانه یا شبکه متصل با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. مدباس معمولاً برای اتوماسیون فرآیندها و سیستم‌هایی مانند (SCADA) استفاده می‌شود.
OPC UA :
(UA) در (OPC-UA) به معنای (معماری یکپارچه) است، که نشان‌دهنده آن است که این پروتکل وابسته به پلتفرم خاصی نیست. این استاندارد بسیار قابل توسعه است و به دلیل استفاده از تبادل گواهی‌ها و روش‌های رمزگذاری نقطه به نقطه، ذاتاً امنیت بالاتری دارد.
(OPC-UA) به کاربران این امکان را می‌دهد که به دستگاه‌های از راه دور در فضای ابری متصل شوند. ویژگی‌های این پروتکل شامل مدیریت دستگاه‌ها، تشخیص، مدیریت دارایی‌ها، پایش، گزارش‌دهی سازمانی، کنترل کیفیت، جمع‌آوری داده‌ها، نظارت بر رویدادها و موارد دیگر است.
با توجه به سازگاری آن با سیستم‌عامل‌های (ویندوز، اندروید، macOS و لینوکس)، امکان استقرار دستگاه‌های بیشتری در یک اکوسیستم گسترده‌تر برای نظارت فراهم می‌شود. توانایی عمل سریع بر اساس بینش‌های جمع‌آوری شده باعث افزایش کارایی و تأثیرگذاری سیستم می‌شود. دسترسی بیشتر ذینفعان به معنای استفاده بهینه‌تر از دارایی‌های اینترنت اشیا صنعتی است.
با (OPC-UA)، هر دستگاهی که از این استاندارد استفاده می‌کند، بدون نیاز به کدنویسی می‌تواند به پلتفرم متصل شود. بعد از اتصال دستگاه، قابلیت‌های سیستم به‌طور خودکار تنظیم می‌شود و داده‌های جمع‌آوری شده ساختاردهی می‌شوند.
(OPC-UA) نیازی به (VPN) ندارد و با برقراری یک دروازه (gateway)، امکان اتصال امن برای ارسال داده‌ها به فضای ابری فراهم می‌شود.
