انواع پروتکل های ارتباطی مربوط به اتوماسیون سیستم های صنعتی

 در این مطلب تعدادی ازش مهم ترین انواع پروتکل های ارتباطی که مربوط به اتوماسیون سیستم های صنعتی هستند را معرفی و بررسی میکنیم.

همچنین بخوانید:  انواع پروتکل های ارتباطی مربوط به اتوماسیون خودرو و ساختمان

1-پروتکل ارتباطی MQTT

اولین پروتکل از انواع پروتکل های ارتباطی که بررسی میکنیم MQTT است که یکی از پروتکل های پیام رسانی اصلی است که در سیستم هایIIoT  (اینترنت صنعتی اشیا) استفاده می شود. به دلیل  سادگی   و انعطاف پذ یری،   امروزه  MQTT  معمولاً در محیط های تعبیه شده برای ارتباطات ماشین به ماشین و تبدیل شدن به یک پروتکل منبع باز استاندارد برای اتصال دستگاههای IoT استفاده میشود.

MQTT (انتقال تله متری  صف پیام) یک پروتکل شبکه انتشار-اشتراک سبک وزن است که پیام ها را بین دستگاه ها منتقل می  کند. MQTT برای مکان های دور و اتصالات با شبکه های با تاخیر بالا، پهنای باندکم و غیر  قابل اعتماد طراحی شده است.

پروتکل ارتباطی MQTT

 

2-پروتکل ارتباطی Modbus

Modbus که توسط شرکت Modicon در سال 1979 توسعه یافت، یک پروتکل ارتباط داده است که در ابتدا برای  استفاده با کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی Modicon (PLC) طراحی شده بود و در طول زمان به یک  پروتکل ارتباطی استاندارد برا ی دستگاههای الکترونیکی صنعتی تبدیل شد. امروزه Modbus را می توان به عنوان یک راه متداول برای اتصال یک کامپیوتر نظارتی کارخانه/سیستم با یک واحد پایانه راه دور (RTU) در سیستم های کنترل نظارتی و جمع آوری  داده ها (SCADA) در راه حل های اتوماسیون صنعتی مشاهده کرد.

Modbus که در اصل برای استفاده با کنترلر دیجیتال  مدولار تازه اختراع شده Modicon طراحی شده بود و به عنوان یک پروتکل باز و بدون حق امت یاز  منتشر شد ،Modbus خیلی زود به یک  پروتکل ارتباطی استاندارد در محیط های صنعتی تبدیل شد.

Modbus به دلیل سادگی  و عدم وجود محدودیت در کاربردها ی صنعتی محبوبیت پیدا کرد که استقرار و حفظ ارتباطات Modbus را در مقایسه با سایر استانداردها آسان کرد. وقتی نوبت به لایه انتقال میرسد،  Modbus  از اترنت،  مجموعه پروتکل اینترنت و خطوط ارتباطی سریال  شخصیتها  پشتیبانی میکند. این  پروتکل همچنین امکان ارتباط چند ین دستگاه متصل به یک  شبکه اترنت یا یک کابل را فراهم می کند.

امروزه، Modbus معمولاً برای  اتصال یک کامپیوتر نظارتی کارخانه/سیستم با یک واحد پایانه  راه دور(RTU) در سیستمهای کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA) در برق و سایر  صنایع استفاده میشود. چندین نسخه از پروتکل برای انواع مختلف اتصالات وجود دارد. آنها شامل Modbus RTU ، Modbus TCP/IP ، Modbus ASCII (واحد ترمینال از راه دور) ، Modbus over UDP و انواع دیگر هستند.

جالب اینجاست که پروتکل Modbus Plus  نیز وجود دارد که نسخه ای از Modbus نیست ، بلکه یک پروتکل جداگانه است که شامل پاس توکن است. حقوق مدباس پلاس متعلق به اشنایدر الکتریک است.

در سال 2018، سازمان مدباس از انتشار پروتکل امنیتی مدباس خبر داد. پروتکل جدید از طریق ادغام امنیت لایه حمل و نقل(TLS) با پروتکل سنتی Modbus، حفاظت قوی را فراهم می کند. TLS بسته های Modbus را محصور میکند تا هم احراز هویت و هم از یکپارچگی پیام محافظت کند. پروتکل  جدید از گواهی های دیجیتال  X.509v3 برای  احراز هویت سرور و کلاینت استفاده می کند.

پروتکل ارتباطی Modbus

 

3-پروتکل ارتباطیAMQP

AMQP (پروتکل صف پیام پیشرفته) یک پروتکل لایه برنامه باینری و استاندارد باز است که برای برقراری  ارتباط سریع  بین تمام میان افزارهای پیام گرا طراحی شده است .AMQP از طیف گسترده ای از برنامه های پیام رسا نی و الگوهای  ارتباطی پشتیبانی می کند و ارتباطات کنترل شده جریان را با تضمین های تحویل پیام ارائه می دهد.

اگرچه AMQP توسط JPMorgan Chase به عنوان یک  پروتکل در درجه اول برای  صنعت خدمات مالی آغاز شد، اما به طور گسترده در صنایع و در طیف گسترده ای از راه حل های میان افزاری استفاده می شود.

  از آنجایی که پروتکل AMQP برای فعال کردن طیف گسترده ای از الگوهای ارتباطی و برنامه های  پیام  رسانی طراحی شده است، مشخصات AMQP در تعدادی لایه تعریف شده است ،مانند سیستم نوع ،یک پروتکل عملکرد برای انتقال پیام از یک فرآیند به فرآ یند دیگر ، یک قالب پیام استاندارد. ، و قابلیت های پیام رسانی.

  AMQP یک پروتکل در سطح سیم است که روشی برای دریافت داده ها از نقطه ای به نقطه دیگر با ارسال آن در سراسر شبکه به عنوان جریانی از بایت ها است. این اجازه می دهد تا هر ابزاری بدون توجه به زبان پیاده سازی، چنین  پیام هایی را ایجاد، دریافت و تفسیر کند. برخی از قابل توجه ترین ویژگی ها ی پروتکل AMQP، ارتباط کنترل جریان با تضمین های تحویل پیام و تأیید اعتبار و رمزگذاری پشتیبانی بر اساس پروتکل TLS (امنیت لایه حمل و نقل) و چارچوب SASL (احراز هویت  ساده و لایه  امنیتی) است.

  تعدادی دیگر  از مشخصات پروتکل باز وجود دارد که به عنوان جایگزینی برای  AMQP در نظر گرفته می شود. یکی از آنها MQTT ( Transport Telemetry صف پیام) است که یک  پروتکل سبک شبکه انتشار-اشتراک است که پیام  ها را بین دستگاه ها منتقل می  کند. سایر  موارد عبارتند از JMS (سرویس  پیام جاوا)، STOMP (پروتکل پیام رسانی مبتنی بر متن جریانی) و XMPP OpenWire (پروتکل پیام رسانی و حضور توسعه پذیر).

پروتکل ارتباطیAMQP

 

4-پروتکل Profibus

Profibus (Process Field Bus) خانواده ای از انواع پروتکل های ارتباطی است که بر روی یک  بسته فناوری استاندارد فیلدباس ساخته شده است. پروفیباس که ابتدا در اواخر دهه 1980 توسط محققان و تول یدکنندگان   سی ستم   های   کامپیوتری آلمانی توسعه یافت، یکی از قدیمی ترین استانداردهای ارتباطی است که هنوز به طور گسترده در زمینه اتوماسیون صنعتی تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرد.

در اصل، سازمان کاربر Profibus دو نسخه از پروتکل ارتباطی را مشخص کرد: Profibus FMS (مشخصات پیام گذرگاه میدان) و Profibus DP (دستگاههای جانبی غیرمتمرکز).

امروزه، Profibus DP پرکاربردترین مشخصات Profibus است. در کاربردهای صنعتی برای نظارت و کنترل سنسورها و محرک ها در یک  سیستم اتوماسیون استفاده می  شود. Profibus PA (اتوماس یون فرآیند) دومین مشخصات Profibus است که امروزه استفاده می شود. این یک پروتکل خاص برنامه است که بیشتر درسیستم ها ی کنترل فرآیند برای نظارت بر حسگرها و راه حل های مختلف اندازه گیری استفاده می  شود. معماری Profibus بر چهار نوع پیام متکی است که برای کاربردها ی خاص طراحی شده اند: SD1 (بررسی تماس)، SD2 (انتقال داده)، SD4 (توکن) و SC (پاسخ کوتاه).

بر  اساس آخرین گزارش، تعداد دستگاه های نصب شده پروباس در سال 2020 نسبت به سال قبل بیش از 22 درصد افزایش  یافت و به مجموع 1.7 میلیون دستگاه رسید که شامل حدود 0.8 میلیون دستگاه مورد استفاده در کاربردهای صنعت فرآیند می شود.

پروتکل Profibus

 

5-پروتکل Profinet

Profinet (Process Field Net)  یکی از انواع پروتکل های ارتباطی  اترنت صنعتی باز بر اساس استانداردهای بین المللی است.Profinet در درجه اول برای برنامه های اتوماسیون صنعتی طراحی شده است تا ارتباط بین سنسورها، کنترلرها، دستگاه ها، ماشین آلات و راه حل های نرم افزاری مختلف را امکان پذیر سازد  .Profinet  که توسط سازمان بین المللی  Profibus  و Profinet  نگهداری میشود ،  یکی از رایج ترین  استانداردهای اترنت صنعتی است که به دلیل قابلیتهای تحویل پیام قوی و سازگاری با سایر پروتکلهای مبتنی بر اترنت مانند OPC UA یا MQTT است.

پروتکل Profinet بر اساس یک مفهوم بلادرنگ آبشاری است که ارتباط سیستمها و گرههای کنترل متمرکز را با دستگاههای جانبی مبتنی بر اترنت متصل به یک شبکه اتوماسیون صنعتی تعریف میکند.

یک استاندارد Profinet سه نوع دستگاه شبکه را در نظر می گیرد: IO-Controller ، IO-Device و IO-Supervisor

یک شبکه Profinet بای د حداقل دارای ی ک IO-Controller باشد که ی ک ی ا چند دستگاه IO متصل به میدان را که می تواند شامل چندین ماژول و زیر ماژول باشد، نظارت و کنترل کند. IO-Supervisor معمولاً ی ک راه حل نرم افزار ی است که روی رای انه م یزبان نصب می شود و برای مدیریت تنظیمات سیستم و نظارت بر دستگاه های متصل استفاده می شود.

علاوه بر این، در یک سیستم IO-Profinet ، هر دستگاه مبتنی بر اترنت می تواند همزمان به عنوان یک IO-Controller و یک دستگاه IO-Device عمل کند. یک Application Relation (AR) برای تعریف روابط ارتباطی ( CR ) بین IO-Controller ها و IO-Devices استفاده می شود که امکان هماهنگی موثر و اولویت بندی وظایف را در شبکه Profinet فراهم می کند. حتی زمانی که IO-Controller ها به طور همزمان بدون دستگاه های IO عمل می کنند، معماری پروتکل اجازه می دهد تا وظایف را بدون نیاز به دستگاه های اضافی هماهنگ کنید.

با تبادل سریع و قابل اعتماد داده بین گره های سیستم به عنوان نقطه قوت اصلی آن، Profinet معمولاً در برنامه های کاربردی حیاتی در سیستم های اتوماسیون صنعتی استفاده می شود. Profinet از تحویل اطلاعات از طریق تعدادی از کانال های ارتباطی پشتیبانی می کند: ،TCP/IP UDP/IP ، Profinet Real-Time (RT) ، Profinet Isochronous Real-Time (IRT) ، و شبکه حساس به زمان (TSN).

به طور معمول، کانال های ارتباطی TCP/IP و UDP/IP برا ی کارها ی غیر ح یاتی استفاده می شود. برا ی کاربردهای حساس زمانی، سه روش ارتباطی دیگر معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند که امکان ایجاد یک کانال Profinet بلادرنگ را برا ی تحویل دادههای قوی و هماهنگ بین گره ها فراهم میکند.

پروتکل Profinet

 

6-پروتکل CIP

از دیگر انواع پروتکل های ارتباطی CIP (پروتکل صنعتی مشترک، که قبلاً به عنوان پروتکل کنترل و اطلاعات شناخته می شد) است که یک پروتکل ارتباطی مستقل از رسانه و شی گرا است که برای کاربردهای اتوماسیون صنعتی و بر اساس مدل ارتباط تولید کننده و مصرف کننده طراحی شده است. پروتکل CIP شامل مجموعه ای جامع از پیام ها و خدمات است که از ادغام برنامه های اتوماسیون صنعتی با شبکه های اترنت سازمانی و اینترنت، تسهیل تبادل داده بین اجزای شبکه، نظارت و کنترل، هماهنگ سازی، مدیریت شبکه و غیره پشتیبانی می کند.

پروتکل CIP در ابتدا توسط Rockwell Automation در اواخر سال 1990 توسعه یافت و اکنون توسط سازمان ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) مدیریت می شود.

ODVA که در سال 1995 تأسیس شد، به عنوان یک سازمان جهانی به نمایندگی از توسعه دهندگان و تامین کنندگان راه حل های اتوماسیون صنعتی فعالیت می کند. این سازمان دارای بیش از 15 گروه کاری فنی است که توسط هیئت بازبینی فنی ODVA نظارت می شود که استانداردهای ارتباطی و سایر مشخصات فناوری های آن را توسعه و حفظ می کنند.

علاوه بر CIP ، ODVA تعدادی از انطباقهای شبکه این پروتکل را مدیریت میکند. آنها DeviceNet ، EtherNet/IP ، ControlNet و CompoNet هستند. این سازمان همچنین تعدادی خدمات مرتبط با CIP مانند ایمنی CIP ، CIP Security ، CIP Energy ، CIP Sync و CIP Motion را ارائه می دهد. CIP ی ک پروتکل شی گرا است که برا ی لایه های بالایی ارتباطات شبکه طراحی شده است.

این پروتکل شامل یک کتابخانه شی بزرگ برای انواع مختلف کاربردها ی صنعتی، مانند ارتباطات عمومی شبکه، تبادل داده ها، ردیابی و نظارت بر دستگاه های شبکه، و همچنین توابع اتوماسیون سفارشی است.

هر شی در CIP دارا ی ویژگی ها (داده ها)، خدمات (فرمان ها)، اتصالات و رفتارها (رابطه بین ویژگی ها و سرویس ها) است. CIP تضمین میکند که یک شی یا گروهی از اشیاء پیاده سازی شده در دو یا چند دستگاه یکسان رفتار میکنند، بنابراین قابلیت همکاری همه دستگاهها ی CIP را ممکن میسازد.

به گروهی از اشیاء در یک دستگاه CIP ، Object Model می گویند. بر اساس مدل ارتباط تولیدکننده و مصرف کننده، اجزای شبکه را قادر می سازد تا داده ها را با استفاده کارآمدتر از پهنای باند شبکه به عنوان یک دستگاه ارسال کننده مبادله کنند و بسیاری از دستگاه های گیرنده می توانند بدون نیاز به انتقال داده ها به دفعات توسط یک منبع واحد به مقصدهای مختلف، ارتباط برقرار کنند.

علاوه بر این، CIP یک گروه بندی استاندارد از اشیاء به نام Device Profiles را برای اطمینان از قابلیت همکاری چند دستگاه از فروشندگان مختلف در یک شبکه CIP تعریف می کند. نمایه های دستگاه، گزینه های پیکربندی، فرمتهای داده ورود ی/خروجی و سایر ویژگیهایمورد نیاز برای دستگاههایی از فروشندگان مختلف با نمایه دستگاه یکسان را مشخص میکند تا
رفتار شبکه مشابهی داشته باشند و به دستورات یکسان پاسخ دهند.

7-پروتکل EtherNet/IPEt

EtherNet/IP یکی دیگر از انواع پروتکل های ارتباطی است که پروتکل CIP را به اترنت استاندارد میپذیرد و به کاربران اجازه میدهد شبکه های اترنت را در برنامه های اتوماسیون صنعتی مستقر کنند.

EtherNet/IP که توسط سازمان ODVA همراه با CIP ، ControlNet و تعدادی از پروتکل های دیگر مدیریت می شود، یکی از رایج ترین استانداردهای ارتباطی مورد استفاده در محیط های اتوماسیون صنعتی است.

توسعه EtherNet/IP در دهه 1990 توسط سازمان بین المللی ControlNet آغاز شد. ControlNet International و ODVA یک توافق نامه فناوری مشترک (JTA) برای توسعه EtherNet/IP در سال 2000 تشکیل دادند. JTA در سال 2009 خاتمه یافت و استاندارد بخشی
از مجموعه پروتکل های ODVA شد.

مانند تمام پروتکل های ODVA ، EtherNet/IP از مدل OSI پ یرو ی می کند و از CIP برا ی لایه ها ی بالایی آن استفاده می کند. طراحی شی گرا CIP خدمات و نمایه های دستگاه را به اترنت/ IP ارائه می دهد که برای برنامه های کنترل بلادرنگ مورد نیاز است. این استاندارد همچنین
متداول ترین استانداردها ی اترنت – مجموعه پروتکل اینترنت و IEEE 802.3 را در خود جای داده است – آنها را با چارچوب مدل شی CIP تطبیق می دهد.

توسعه پیاده سازی منبع باز قابل حمل پشته EtherNet/IP برا ی دستگاههای آداپتور ورودی/خروجی، به نام Opener ، در سال 2009 آغاز شد. از چندین I/O و اتصالات صریح پشتیبا نی میکند و شامل اشیاء و سرویسهایی برای سازگاری با اترنت/ IP است. محصولات همانطور که در مشخصات ODVA تعریف شده است. Opener در GitHub در دسترس است.

8-پروتکل ControlNet

ControlNet یاز انواع پروتکل های ارتباطی شبکه باز است که برا ی کاربردهای اتوماسیون صنعتی طراحی شده است. ControlNet بخشی از خانواده پروتکل CIP است که برای اهداف بسیار قطعی و برنامه ریزی شده سازگار شده است. پروتکل ControlNet توسط ODVA همراه با CIP ، DeviceNet ، EtherNet/IP و CompoNet مدیریت می شود.

پروتکل لایه برنامه یکسان را با ControlNet CIP ، DeviceNet و EtherNet/IP به اشتراک می گذارد. تمام لایه های بالایی (براساس مدل OSI) ControlNet نیز بر اساس CIP هستند. لایه های سازگار منحصر به فرد ControlNet عبارتند از لایه فیزیکی، لایه پیوند داده، لایه انتقال و لایه شبکه.

طراحی ControlNet بر روی ارائه اتصالات داده قابل اعتماد و با سرعت بالا متمرکز شده است که برای زمان بندی خاص در شبکه برنامه ریزی شده است.

معماری پروتکل از اجرای پیامهای حیاتی پشتیبانی میکند که به زمانبندی برای انتقال بدون تداخل با وظایف حساس زمانی متکی نیست. ControlNet شامل پشتیبانی از کابل های کاملا اضافی است و با انواع مختلفی از سخت افزارها و دستگاه های اتوماسیون صنعتی از جمله PLC ها، HMI ها، روبات ها، رایانه های شخصی، ماشین آلات صنعتی و غیره قابل همکاری است

پروتکل ControlNet