مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فصل اول :

مقدمه اي بر سيستم هاي كنترل

كنترل و اتوماسيون

در هر صنعتي اتوماسيون سبب بهبود توليد مي گردد كه اين بهبود هم در كميت وميزان توليد موثر است و هم در كيفيت محصولات.هدف از اتوماسيون اين است كه بخشي از وظايف انسان در صنعت به تجهيزات خودكار واگذار گردد.بسياري از كارخانه ها كارگران خود را براي كنترل تجهيزات مي گمارند و كارهاي اصلي را به عهده ماشين مي گذارند. كارگران براي اينكه كنترل ماشينها را به نحو مناسب انجام دهند لازم است كه شناخت كافي از فرايند كارخانه و وروديهاي لازم براي عملكرد صحيح ماشينها داشته باشند.يك سيستم كنترل بايد قادر باشد فرايند را با دخالت اندك يا حتي بدون دخالت اپراتورها كنترل نمايد.در يك سيستم اتوماتيك عمليات شروع،تنظيم و توقف فرايندبا توجه به متغير هاي موجود توسط كنترل كننده سيستم انجام مي گيرد.

مشخصات سيستمهاي كنترل

هر سيستم كنترل داراي سه بخش است: ورودي ، پردازش و خروجي .

بخش ورودي وضعيت فرايندو وروديهاي كنترلي اپراتور را تعيين كرده ومي خواند بخش پردازش با توجه به وروديها، پاسخهاو خروجيهاي لازم را مي سازدو بخش خروجي فرمانهاي توليد شده را به فرايند اعمال مي كند.در كارخانه غير اتوماتيك بخش پردازش رااپراتورها انجام مي دهند.اپراتور با مشاهده وضعيت فرايند، به طور دستي فرامين لازم را به فرايند اعمال مي كند.

وروديها

در قسمت وروديها،مبدلهاي موجود در سيستم، كميتهاي فيزيكي را به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي كند.در صنعت مبدلهاي زيادي نظير دما، فشار،مكان، سرعت، شتاب و غيره وجود دارند.خروجي يك مبدل ممكن است گسسته يا پيوسته باشد.

خروجيها

در يك كارخانه عملگرهايي وجود دارند كه فرامين داده شده به آنها را به فرايند منتقل مي كنند.پمپها، موتورهاو رله ها از جمله اين عملگرها هستند.اين وسايل فراميني را كه از بخش پردازش آمده است (اين فرامين معمولا الكتريكي هستند) به كميتهاي فيزيكي ديگر تبديل مي كنند.مثلايك موتور،سيگنال الكتريكي را به حركت دوار تبديل مي كند.ادوات خروجي نيز مي توانند عملكرد گسسته ويا پيوسته داشته باشند.

پردازش

در يك فرايند غير اتوماتيك اپراتورها با استفاده از دانش و تجربه خودوبا توجه به سيگنالهاي ورودي،فرامين لازم را به فرايند اعمال مي كنند.اما در يك سيستم اتوماتيك،قسمت پردازش كنترل كه طراحان در آن قرار داده اند، فرامين كنترل را توليد مي كنند.طرح كنترل به دو صورت ممكن است ايجاد شود.يكي كنترل سخت افزاري و دوم كنترل برنامه پذير.

در يك سيستم با كنترل سخت افزاري،بعد ازنصب سيستم، طرح كنترل ثابت و غير قابل تغيير است. اما در سيستمهاي كنترل برنامه پذير.طرح كنترلي در يك حافظه قرار داده مي شود و هر گاه لازم باشد،بدون تغيير سخت افزار و فقط برنامه درون حافظه، طرح كنترل را مي توان تغيير داد.

انواع فرايندهاي صنعتي

در صنايع امروز طيف متنوعي از فرايندهاي توليد وجود دارند.از نظر نوع عملياتي كه در فرايند انجام مي شود،فرايند ها را مي توان به سه گروه تقسيم كرد:

• توليد پيوسته

• توليد انبوه

• توليد اجزاي جدا

سيستم كنترلي كه براي يك فرايند بكار گرفته مي شودبايد با توجه به نوع آن باشد.

فرايند توليد پيوسته

در يك توليد پيوسته مواد در يك رديف و بطور پيوسته وارد فرايند شده و در سمت ديگر،محصول توليدي خارج مي گردد. فرايند توليد، ممكن است در يك مدت طولاني به طور پيوسته در حال انجام باشد.توليد ورق فولاد نمونه اي از فرايند است. در خط توليد ورقه فولاد.بلوكهاي گداخته فولاد ازبين چندين غلتك عبور مي كند و تحت فشار قرار مي گيرد.در اثر فشار ضخامت قطعه فولاد رفته رفته كم شده و در انتهاي خط توليد ورقه فولاد توليد مي گردد. بسته به طول فولاد چندين دقيقه طول مي كشد تا توليد يك ورقه،كامل گردد.

فرايند توليد انبوه

در چنين فرايندي ميزان مشخصي از مواد اوليه وارد خط شده و پس ازطي مراحل توليد مقدار مشخصي محصول به وجود مي آيد.

فرايند توليد اقلام مجزا

در اين نوع فرايند،هر محصول در طول خط توليد از قسمتهاي مختلفي مي گذردو در هر بخش، عمليات مختلفي روي آن انجام مي گيرد. در هر قسمت ممكن است اجزايي به محصول اضافه شود تا در انتهاي خط توليد، محصول كامل ساخته شود.

استراتژي كنترل

كنترل حلقه باز

ايده اصلي در اين كنترل اين است كه سيستم تا حد ممكن دقيق طراحي شود. به طوري كه خروجيهاي دلخواه را توليد كند و هيچ اطلاعاتي را از خروجي فرايند بهكنترل كننده برگردانده نشود تا كنترل كننده تشخيص دهد آيا خروجي در حد مطلوب است يا خير.بدين خاطر ممكن است خطاي خروجي در بعضي مواقع خيلي زياد باشد. در يك سيستم با كنترل حلقه باز تا وقتي كه اختلال و جود نداشته باشد فرايند به خوبي عمل مي كند، اما اگر اختلال نا خواسته اي باعث شود،خروجيها از حد مطلوب خارج شونددر اين صورت ممكن است سيستم كلي از كنترل خارج شود.

كنترل پيشرو

درموقعي كه اختلالات خارجي كه بر عملكرد سيستم تاثير مي گذارد شناخته شده باشند مي توان با مشاهده و اندازه گيري ميزان اختلال تا حد امكان اثر اختلال را جبران نمود. اين نوع كنترل را كنترل پيشرو مي گويند. اين نحوه كنترل هنگامي كه ميزان اختلال كم باشد و بتوان به طور دقيق آن را اندازه گرفت مناسب است. اما اگر اختلال خيلي زياد باشد شيوه مناسبي نيست. همچنين در مواقعي كه اندازه گيري خروجي به طور مستقيم امكان پذير نباشد،اين نوع كنترل مناسب نيست.

كنترل حلقه بسته (Field back) :

در اين كنترل براي جبران اثر اختلال ، خروجي سيستم اندازه گيري مي شودو در صورتي كه خروجي از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد،تدابير كنترلي مناسب براي جبران آن اعمال مي شود.به اين صورت كه خروجي سيستم اندازه گيري شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه مي گردد. تفاوت بين اين دو كميت به كنترل كننده داده شده و كنترل كننده با توجه به ميزان اين خطا فرايندرا كنترل مي نمايد.

سيگنال خطا = نقطه تنظيم - ميزان اندازه گيري شده E=SP-MV

بايد توجه كرد كه صفر نمودن خطا در عمل امكان پذير نيست ودر هر سيستم كنترلي هميشه تفاوت ناچيزي بين خروجي مطلوب و خروجي واقعي وجود خواهد داشت، اما تا وقتي كه اين خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشي مي گردد.

انواع كنترلرها

كنترلر مغز متفكر يك پردازش صنعتي است و تمامي فراميني راكه يك متخصص در نظر دارد اعمال كند تا پروسه، جريان استاندارد خود را در پيش گيرد و نهايتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طريق كنترلر به سيستم فهمانده مي شود. در واقع هرگاه پروسه هاي صنعتي به تنهايي و بدون استفاده از كنترل كننده در حلقه كنترل قرار گيرند معمولا پاسخهاي مطلوبي را به لحاظ ويژگيهاي گذرا يا ماندگار نخواهند داشت.بنابراين انتخاب و برنامه ريزي يك كنترلر مناسب از مهمترين مراحل يك پروسه صنعتي است.انتخاب كنترلر با توجه به درجه اهميت پاسخ گذرا يا ماندگار و يا هردو و همچنين ملاحظات اقتصادي ويژه صورت مي پذيرد.

يك كنترلر چگونه عمل مي كند؟

در ابتدا سيگنال خروجي از سنسور وارد كنترلر مي شود و با مقدار مبنا مقايسه مي گردد و نتيجه مقايسه كه همان سيگنال خطا مي باشد، معمولا در داخل كنترلر هم تقويت شده و هم بسته به نوع كنترلر و پارامترهاي مورد نظر، عملياتي خاص روي ان انجام مي گيرد سپس حاصل اين عمليات به عنوان سيگنال خروجي كنترل كننده به بلوك بعدي وارد مي شود.

مقايسه سيگنالها و تقويت اوليه در همه كنترلر ها صرف نظر از نوع انها انجام مي گيرد ،در واقع اين عمليات بعدي است كه نوع كنترلر را مشخص مي كند.

كنترلرها از نظر نوع عملكرد به انواع زير تقسيم بندي مي شوند:

كنترلرهاي ناپيوسته (گسسته):

• كنترلر هاي دو وضعيتي:اين نوع كنترلر ها ساختماني ساده و كم حجم دارند و به نسبت ارزنتر از ديگر كنترلرهاي پيچيده هستند به همين خاطر كاربردهاي فرواني در صنعت ودر مكانهايي كه كنترل تركيبي ،پيوسته و پيچيده مورد نظر نيست دارند.

• كنترلر هاي سه وضعيتي

• كنترلرهاي چند وضعيتي

شكل1-5 : انواع كنترلر ها

كنترلرهاي پيوسته:

كنترلر تناسبي: (Proportional)

دراين نوع كنترلربين خروجي و ورودي يك نسبت مستقيم وجود دارد با يك ضريب مشخص كه آنرا گين يا بهره كنترل كننده مي نامند.

سيگنال خطا *Kp = خروجي

البته كنترلر تناسبي به تنهايي كافي نيست. زيرا وقتي خروجي سيستم بسمت مقدار مطلوب پيش مي رود، خطا كاهش يافته و در نتيجه خروجي كنترلي نيز كم مي گردد.

بنابراين همواره يك خطاي ماندگار بين مقدار مطلوب و خروجي واقعي وجود دارد.

اين خطا را مي توان با افزايش بهره كنترل كننده كاهش داد اما باعث ناپايداري سيستم و نوسان خروجي مي شود. براي حل اين مشكلات معمولا كنترلرتناسبي را همراه كنترلرهاي مشتق و انتگرال بكار مي برند.

كنترلر انتگرالي(Integral):

همانطور كه از نامش پيداست بين ورودي و خروجي يك رابطه انتگرالي برقراراست

اين كنترلر براي جبران خطاي ماندگار به كار مي رود،زيرا تا وقتي كه خطايي در خروجي وجود داشته باشد،جمله انتگرال تغيير پيدا مي كند و در نتيجه خطاي خروجي رفته رفته كاهش مي يابد.

كنترلر تناسبي – انتگرالي (PI) :

كنترلر PIتركيبي از كنترلر انتگرالي و تناسبي است كه به صورت موازي بهم وصل شده اند.(شكل2-5) اين كنترلر اگر بطور صحيح طراحي شود مزاياي هردونوع كنترل انتگرالي و تناسبي را خواهد داشت .پايداري ، سرعت و نداشتن خطاي حالت ماندگار از ويژگيهاي اين كنترلر است.

شكل 2-5 : كنترلر PI

كنترلر تناسبي – مشتق گير(PD):

كنترلر PDاز تركيب موازي دونوع كنترلر مشتق گير و انتگرالي ايجاد مي شود.

كنترلرمشتق گيرداراي اين مشخصه است كه خود را سريعا با تغييرات ورودي هماهنگ مي كنند

لذا در مواردي كه پاسخ سريع خروجي مد نظر است مي توان از اين نوع كنترلر ها استفاده كردامااز انجايي كه عمل مشتق گيري باعث تقويت نويزهاي موجود در محيط پروسهمي شوندو به علاوه مشتق گيرها تنها نسبت به تغييرات ورودي حساسيت نشان مي دهند

بنابراين مشتق گيرها به تنهايي مورد استفاده قرار نمي گيرند بلكه هرگاه نياز به خاصيت مشتق گيري در يك پروسه باشد ، كنترلرآان را به صورت مشتق گير-تناسبي يا مشتق گير-انتگرالي يا مشتق گير-تناسبي – انتگرالي مي سازند.

كنترلرPID:

اين نوع كنترلر از تركيب موازي سه كنترلر تناسبي ،انتگرالي و مشتق گير ايجاد مي شود و متداولترين نوع كنترلر در صنايع مي باشد.

شكل3-5 : كنترلرPID

انواع ديگري از كنترلرها كه از نظر منبع تغذيه مورد استفاده ،ساختمان داخلي و انواع كاربردها با كنترلر هاي ذكرشده در بالا اندكي متفاوت هستند.

• كنترلرهاي نيوماتيكي (Pneumatic):

اين نوع كنترلر از باد و هواي فشرده بعنوان منبع تغذيه استفاده مي كند.بدليل ساختمان ساده،راحتي تعمير و نگهداري ، ايمني در برابر انفجار و اتش سوزي و ارزاني انها كاربردهاي فراواني در صنعت داشته اند و امروزه بدليل جايگزين شدن سيستمهاي پيچيده الكترونيكي و نرم افزارهاي كنترلي قابل تغيير و پياده سازي بر روي سيستمهاي الكترونيكي ،كمتراز كنترلر هاينيو ماتيكي استفاده مي شود.

• كنترلر هاي هيدروليكي (Hydraulic):

اين نوع كنترل كننده ها از نيروي روغن هيدروليك تحت فشار به عنوان منبع تغذيه استفاده مي كنند، مزاياي زيادي كه اينگونه سيستمها دارند، باعث شده تا جاي خوبي براي خودشان در صنعت باز كنندو در جاهايي كه حركات تحت فشار و وزن بالا انجام مي پذيرد سيستمهاي هيدروليك بهترين و دقيق ترين عملكرد را از خود نشان مي دهند كنترلر هاي هيدروليك علاوه برقابليت انجام حركت سنگين بطور پيوسته داراي دقت و سرعت عمل بسيار خوبي نيز مي باشند.امروزه باوجود جايگزيني مدلهاي الكترونيكي پيچيده تر و كارامدتر هنوز هم نمي توان كارايي هاي بالا و منحصر بفرد سيستمهاي هيدروليكي را ناديده گرفت.

• كنترلرهاي الكترونيكي (Electronic):

كنترلرهاي الكترونيكي ، كنترلرهايي هستند كه از نيروي الكتريسيته جهت كنترل، هدايت و فرمان دادن استفاده مي كنند .

سير تكاملي كنترل كننده ها

در سال 1940 براي نماسازي دستگاههاي كنترلي از سيگنال فشار 3psi تا 15psi استفاده مي شده است .

در سال 1960سيگنالهاي استاندارد انالوگ 4mA-20mA براي كنترل ابزار دقيق مورد استفاده قرار گرفته است در همان زمان برخي از استانداردهاي ديگر نيز بوجود آمد.

توسعه پردازنده ديجيتال در دهه 70ميلادي ، استفاده از كامپيوترهاي رابراي نماسازي و كنترل يك سيستم ابزار دقيق از يك نقطه مركزي توسعه داد.

در دهه 90 براي بهينه سازي اجراي سيستم هاي كنترل و فشردگي بيشتر سيستها فيلدباس ايجاد گرديد كه به تدريج استاندارد شد.انچه تصويرزيربيان مي كند اين است كه سير پيشرفت علم كنترل از اتوماسيون مكانيكي اغاز گرديده و سپس با اتوماسيون پنوماتيك ادامه يافته و پس ازآن بسمت الكتريكي شدن پيش رفته است .

پس از ايجاد كنترل كننده هاي قابل برنامه ريزي ، انفور ماتيك و الكترونيك رشد كرده و به شيوه الكترونيكي در حجم گسترده تري بوجود آمده است.

فصل دوم

انتقال اطلاعات در صنعت

مقدمه:

در سالهاي اخير مسئله بر قراري ارتباط در پروسه هاي صنعتي رشد چشمگيري داشته است. پيش از اين ارتباط درصنعت و پروسه هاي كنترل صنعتي به فرستادن سيگنال از جانب يك مركز كنترل به مركز فرماندهي خلاصه مي شد. اما امروزه تمام كنترل كننده هاي كوچك و بزرگ (PLCs) در هر نقطه اي از فيلد كه باشند بايد با يكديگر و در نهايت بامركزكنترل مربوط به خود ارتباط بر قرار كنند و همين امر باعث پيچيده شدن هرچه بيشتر سيستمهاي ارتباطي خواهد شد.

PLCها امروزه طوري طراحي و سا خته مي شوند كه بجز وظيفه اصلي و مهم خود كه همان اجراي فرامين كنترلي تعريف شده و كنترل اتو ماتيك يك پروسه صنعتي است، بتوانند موارد مهم ديگري از قبيل برقراري ارتباط با مركز كنترل و ديگر كنترل كننده هاي داخل فيلد را نيز بر عهده بگيرند. بنابراين در ساختار داخلي آنها پيش بيني هاي لازم جهت استفاده از ابزار ها و لوازم خاص ارتباطي صورت گر فته است.

به عنوان مثال مي توانيم يك سيستم PLC كه در محل خط توليد قرار دارد و توسط ترمينال مخصوص شبكه محليLAN(Local area network) به ماشينهاي مركز كنترل كه در محل اتاق كنترل كار خانه قرار دارند، متصل كنيم و از همانجا ، PLCرا كنترل كنيم.

مثلا مي توانيم بهPLC فرمان دهيم تا رو تين كنترلي مربوط به توليد قطعه اي خاص را اجرا كرده، فرامين آنرا صادر كندو همچنين بر روند كل پروسه نظارت كامل داشته باشد.سپس نفر بعدي كه در شيفت بعدي فعاليت مي كند ، مي تواند يك گزارش كامل از چگونگي كنترل پروسه توسطPLC مورد نظر را تهيه كرده و از روي آن تعداد قطعات سالم و خراب و حتي زمانهاي از دست رفته و تلف شده در حين توليد را محاسبه كند. مركز تعميرات كارخانه نيز مي تواند با استفاده ازروشهاي ارتباطي و مخابراتي، از بروزاشكال در هريك از ماشينهاي كارخانه اطلاع حاصل كرده و پرسنل تعميركاري را جهت رفع اشكال اعزام دارد،

مركز تعميرات حتي مي تواند با اطلاع داشتن از وضعيت كليه ماشينهاي خراب، اولويت تعمير را به هر كدام از آنها واگذار كند.

براي درك بهتر مطلب شكل1-1 را كه بلوك دياگرام معماري شبكه ارتباطي را در بخشي از كارخانه نشان مي دهد ، ببينيد.

شكل 1-1: شبكه محلي PLCsو شبكه گسترده ETHENET بين كار خانه ها

همانطور كه در شكل مشخص شده هر ماشين يك PLCدارد كه آنها توسط شبكه محلي LAN بهم مر تبط هستند و همگي روي لينك ارتباطي شبكه گسترده Ethernetبه هم مرتبط مي شوند.

در نگاه اول ممكن است اينطور به نظر برسد كه PLCها و كنترل كننده هاي محلي تمامي اطلاعات در يافت كرده و جمع آوري كرده را مستقيما به كامپيوتر هاي اصلي در مركز كنترل كارخانه ارسال مي كنند، اما در عمل چنين چيزي غير ممكن است ، زيرا با ارسال چنين حجم بزرگي از اطلاعات ، كه در صد بسيار زيادي از آنها نيز براي مركز كنترل بي ارزش محسوب مي شوند،كامپيوتر هاي مركز كنترل دچار مشكل شده و خيلي زود از كار خواهند افتاد.

امروزه PLCها و كنترل كننده هاي محلي، خود به تنهايي قادر به آناليز اطلاعات جمع آوري شده مي باشند ، بنابراين پس از بررسي و آناليز اطلاعات مي توانند موارد سودمند و قابل استفاده براي سيستم كنترل را به مركز كنترل ارسال كرده تا از آنها استفاده شود و در ضمن نسخه پشتيبان نيز از اين اطلاعات تهيه خواهد شد.

شبكه هاي محلي در محيط هاي صنعتي امروزه امكان استفاده هاي مختلفي را براي بخش ها و قسمت هاي مختلف كارخانه فراهم آورده اند، به عنوان مثال سيستم شبكه محلي كامپيوتر ها بين بخش هاي مختلف كارخانه كه شامل امكانات پست الكترونيكي و انتقال اطلاعات بين كارمندان است،مي تواند در كنار شبكه هاي صنعتي PLC،روي لينك شبكه محلي LAN قرار گيرد و يك سيستم ارتباطي جامع را پديد آورد.

معماري شبكه:

در سالهاي اخير توليد كنندگان تجهيزات الكترونيكي و خصوصا سازندگان كنترلر ها و PLCها متو جه ساخت سيستمهاي ارتباطي شده اندو اغلب آنها را ههايي را براي ارتباط بين سيستم هاي كنترل ساخت خودشان پيشنهاد مي كنند.

اما با گذشت زمان و پيشرفت روز افزون صنايع و رشد چشمگير آنها استفاده از يك نوع كنترلر و PLC در تمام سطوح كارخانه اي بزرگ امري غير ممكن مي نمايد و بنابراين بايد چاره ايي انديشيد تا كنترلرها وPLCهاي مختلف از مارك ها و مدل هاي مختلف كه هر كدام به كنترل سيستمي خاص مي پردازند(مثل كنترلر دستگاههاي CNCيا روباتهاي مونتاژگر) بتوانند با يگديگر ارتباط بر قرار كنند

بنابراين مدلي جامع متشكل از هفت لايه مجزا، به نام مدل ISO براي تعريف شبكه در نظر گرفته شد، شكل1-2،مدل هفت لايه اي ISO را نشان مي دهد.

شكل1-2 :مدل هفت لايه ا يISO

تمام تجهيزات الكترونيكي در زمينه شبكه هاي ارتباطي امروزه از يك يا چند لايه از اين مدل استفاده مي كنند و فعاليتهاي ارتباطي خود را تحت پوشش اين استاندارد قرار داده اند. در اين بخش سعي خواهيم كرد كه تو ضيح مختصري در مورد هر يك از لايه ها به شما ارائه دهيم.

لايه فيزيكي(Physical Layer):

ساده ترين لايه موجود لايه فيزيكي است كه در موردشرايط جابجايي سيگنال هاي الكتريكي در طول خطوط و ما بين ابزار هاي مختلف شبكه به بحث مي پردازد.

نوع و شرايط كابل ها و سيم هاي ارتباطي و انواع سيگنال هاي مختلف مثل سيگنالهاي و پالسهاي on/offو شرايط انتشار آنها در اين بخش مورد بحث قرار مي گيرند،

اما مقوله تشخيص خطا و رفع آن در محدوده كاري لايه فيزيكي نمي باشدو تنها در مورد رابطه هاي فيزيكي كه كانال هاي مختلف را به هم مرتبط مي كنند، صحبت مي كند.

لايه ديتالينك(Data link Layer):

اين لايه در تركيب با لايه فيزيكي مي تواند ضريب اطمينان كار با شبكه را تا حد بسيار زيادي بالا ببرد، زيرا اين لايه به بحث در مورد تشخيص خطا ياError Detection مي پردازد وهمچنين پس از پرداختن به مقوله تشخيص خطا در امر رفع ان خطا نيز راه حل هاي مناسبي را ارائه خواهد كرد.

بنابراين بحث در مورد Error Detectionو Error Recovery از مباحث مربوط به اين بخش مي باشد.همچنين موارد ديگري نظير كنترل جريان اطلاعات ياData Flow كه شامل نكاتي از قبيل زمان شروع و پايان ارسال و دريافت اطلاعات، تعاريف مربوط به بسته بندي ياPackage اطلاعات(طول كلمه ديتا و چگونگي شروع و خاتمه ان) تعاريف مربوط به زمان بندي بر قراري ارتباط جهت ارسال و دريافت اطلاعات ، چگونگي اعلام دريافت اطلاعات(با و بدون خطا) توسط گيرنده،تعاريف مربوط به زمان لازم براي ماندن در حالت انتظار جهت دريافت و ارسال اطلاعات و مواردي ديگرشبيه به اينها هستندنيز در حوزه كار لايه ديتالينك قرار دارد.

لايه شبكه(Net work Layer):

كار اين لايه ارائه يك مكانيزم مناسب و كارآمد براي شبكه سراسري است در واقع اين لايه يك مكانيزم ارائه اطلاعات براي لايه انتقال دهنده آنها ارائه مي دهد، مثل شبكه اي از چند PLC مختلف كه اطلاعات كلي خودشان را به يك كامپيوتر اصلي ارائه مي دهند.

لايه شبكه از تركيب سخت افزار و نرم افزار هاي مناسب براي ارائه پروتكل هاي كارامد ارتباطي نظير X.21,X.25,X.75 استفاده كرده و مناسب ترين روش هاي فشرده سازي اطلاعات جهت دستيابي به سرعت هاي بالاتر ارتباطي را ارائه مي دهد.

لايه انتقال(Transport Layer):

اين لايه در مورد اتصال وارتباط يك شبكه با شبكه اي ديگر صحبت مي كند،در واقع از اين لايه به بعد،شبكه خيلي تخصصي تر و دقيق تر شده و هركدام مي توانند پيچيدگي هاي خاص خو دشان را داشته با شند،اما اغلب شبكه داراي نكات بسيارمشابهي در سه لايه اوليه هستند.در اين لايه همچنين درمورد استفاده از لايه هاي بالاترجهت نظارت بركار لايه هاي پائين تربحث مي شود.

SessionLayer

اين لايه در مورد برقراري يك جلسه ارتباطي از طريق شبكه، بين دو كاربر مختلف صحبت مي كند،بحث اصلي در مورد برقراري ارتباط، نگه داشتن آن در طول زمان تعيين شده و در نهايت قطع ارتباط در موقع لازم ، مي باشد.به عنوان مثال دفتر تعميرات كارخانه مي تواند از طريق ارتباط با شبكه داخلي كارخانه با قسمت تداركات ارتباط برقرار كرده و مو قع خريد لوازم مورد نياز را گزارش دهد، استاندارد هاي تعريف شده براي اين لايه عبارتند از: CCITT,X212,ISO8326

Application Layer

اين لايه امكاناتي را جهت هماهنگ كردن تمام لايه ها با يكديگر جهت برقراري ارتباط و ارسال و دريافت اطلاعات با لايه ها و شبكه هاي ديگرارائه مي دهد و اگر اختلافي بين لايه هاي مختلف و سيستم هاي مختلف وجود داشته باشد، اين لايه مي تواند راه حلي مناسب جهت هماهنگي ارائه دهد.

به عنوان مثال فرض كنيد كه نرم افزاري خاص روي يكي از ترمينال هاي كارخانه در سال 1980نصب شده و هم اكنون نيز بكار خود ادامه مي دهد و نرم افزار ديگري مثل يك سيستم پست الكترونيكي در سال 1990 در شبكه دفتر كار خانه قرار گرفته،لايه application مي تواند مشكلات بر قراري ارتباط بين آنها را بر قرار كند.

شكل 2-2: ترمينالهاي مخصوص دفتر نظارت و دفتر تعميرات كه از طريق شبكه بايكديگر ارتباط دارند لايه session اطلاعات مربوط به هر بخش را جدا گانه نگهداري مي كند.

استاندارهاي معروف لايه فيزيكي شبكه هاي صنعتي

RS-232:

معمولترين و همگاني ترين استاندارد لايه فيزيكي RS-232 مي باشد كه سير تكاملي آن از RS-232-C تا RS-232-F است. حداكثر انتقال داده به علت دامنه و ولتاژ زياد نسبت به پروتكل هاي ديگر كمتر است.(حدود 115 kbps) حداكثر فاصله دو ايستگاه 16 متر است و دو نوع سيم بندي(9و 25 رشته) در آن استاندارد شده است .

ماوس ، صفحه كليد و مودم كامپيوترهاي شخصي از اين درگاه استفاده مي كنند.محدوده ولتاژ “1” منطقي در RS 232-C از 3- تا 15- و “ 0” منطقي از3+ تا 15+ است.

RS-449:

اين استاندارد جايگزين RS 232 در سرعتهاي بالاتراز 20 kbps شده است. دو نوع اتصال 9و 37 براي آن معرفي و استاندارد شده است. اين استاتدارد هم اكنون منسوخ شده است و ليكن هنوز برخي از دستگاهها براي ارتباطات از اين استاندارد استفاده مي كنند.

RS-530:

توسعه يافته RS-449 و RS- 232 است و براي سرعت هاي بالا تر از 20 kbps مناسب است. اين استاندارد از خطوط بالانس وبراي اتصال ازDB-25 استفاده مي نمايند به هر دو صورت سنكرون و آسنكرون قابل استفاده است و مي تواند در دو حالت دو سويه و يك سويه كار كند. فاصله دو ايستگاه طبق استاندارد 60 متر است.

RS-423:

اين استاندارد در حقيت توسعه يافته RS 232 است تغييرات اساسي آن افزايش تعداد ايستگاهاي گيرنده ،مسافت ارسال و سرعت مي باشد.اين پروتكل يك فرستنده را به چند گيرنده (تا ده ايستگاه) متصل مي كند و حداكثر فاصله انتقال داده براي آن 1200 متر است . يكي از عوامل محدود كننده سرعت Slew Rate است . بدين معنا كه دامنه ولتاژ در RS 232بالاست و به همين علت دست يافتن به سرعت بالا با توجه به خازن خط و پيچيدگي مدار مشكل است . براي افزايش سرعت لازم است دامنه سطوح و لتاژ كاهش يابد . در همين راستا ولتاژ منطقي “1”در RS 423 برابر 3.6v- تا 6v- است و ولتاژ“0” منطقي برابر 3.6v تا 6v است . بدنبال اين تغيير، سرعت انتقال داده در RS 423 چهار برابر RS 232 است .

RS-422:

شباهت زيادي به RS 232 دارد ولي تا 16گيرنده را پشتيباني مي كند. اين پروتكل كه از خطوط بالانس براي انتقال داده استفاده مي كند، اثر نويز پذيري را بشدت كاهش داده است. در ورودي گيرنده ها از تقويت كننده ديفرانسيل استفاده شده است لذا به نسبت حذف مد مشترك ، نويز از بين مي رود.

بيشترين سرعت اين پروتكل در 3 متر فاصله ، برابر 10 Mbpsاست حداكثر فاصله مي تواند 1200 متر باشد كه متناسب باآن سرعت كاهش مي يابد.

گيرنده و فرستنده بصورت ولتاژي كار مي كند(از سيگنالهايي با جنس ولتاژي استفاده مي كند)كه اين نوع رفتار باعث نويز پذيري بيشترنسبت به جريان مي شود.

RS-485:

بيش از 32 فرستنده و گيرنده را پشتيباني مي كند. در اين استاندارد مي توان بيش از يگ گره را به عنوان رئيس (Master)معرفي نمود زيرا مدارت سه وضعيتي هستند و با كمك يك مدار جانبي حالتهاي مختلف يك خط را كنترل مي كنند و به اين روش گره هم قابليت دريافت و هم ارسال خواهند داشت . در اين پروتكل انتقال داده به صورت جرياني انجام مي گيرد و بيشترين اعوجاج را در ورودي مي پذيرد.

اثر نويز در انتقال جرياني كمتراز ولتاژي است زيرا ميزان انرژي كه بتواند جرياني را توليد كند و بر سيگنال جريان اثر بگذارد ، از معادل ولتاژي بيشتر است.بيشترين مسافت براي ارسال داده 1200 متر و رعايت حداقل طول (30m) براي سيم رابط اتصال كابل شبكه به گذرگاه الزاميست. استفاده فراگير از RS 485باعث ساخت كارتهاي كامپيوتري و انواع مبدل براي اين پروتكل شده است.

گذرگاه H1:

اين استاندارد در IEC 1158-2تعريف شده است و با سرعت 31.25 Mbps براي شبكه سازي سطوح بسيار اتوماسيون صنعتي يعني سنسور-محرك استفاده مي شود .سيم كشي بصورت زوج سيم بهم تابيده بطول 1900 متر و همچنين 32 دستگاه متصل ، كه از همان دو سيم تغذيه مي شود ، پياده سازي مي شوند.

در صورتي كه حفاظت و اطمينان واقعي مورد نياز باشد، استاندارد، استفاده از4 دستگاه متصل به شبكه رامجاز مي داند. امروزه اين پروتكل در ميان استانداردهاي گذرگاههاي صنعتي جايگاهي ويژه پيدا كرده است.

گذرگاه H2:

گذرگاهي با سرعت بالا (حدود 100 Mbps)است براي ايجاد شبكه در لايه مياني شبكه هاي صنعتي نظير لايه سلول مناسب است.

Highway Addressable Remote Transducer): HART )

يك پروتكل ارتباطي كه به صورت چشمگيري در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.HART از يك فركانس سطح پايين سينوسي براي انتقال داده ديجيتال به مقصد استفاده مي كند.

اين فركانس براي صفر و يك منطقي 1200Hzو 2200Hzاست سرعت انتقال داده در ان به 1200bps محدود مي شود كه ضعف عمده اين پروتكل ارتباطي است. مزاياي اين پروتكل عملكرد چند انشعابي، انتقال روي دو رشته سيم، كاركرد مناسب در محيطهاي پر نويز و قابليت برقراري ارتباط بين تجهيزات توليد كنندگان مختلف (Interoperability) مي باشد.

4-2 معرفي واسطهاي انتقال و عوامل موثر در انتخاب:

منظور از واسط انتقال ، نوعي اتصال فيزيكي ميان ايستگاهاي شبكه است كه به واسطه ان پيغام ها ميان دو يا چند استگاه ردو بدل مي شوند. معروف ترين واسطهاي انتقال در شبكه ها ، كابل كواكسيال، زوج سيم بهم تابيده و فيبرنوري مي باشند كه در ادامه خلاصه اي از ويژگيهاي انها بيان خواهد شد. واسطهايي همچون گيرنده هاي راديويي و مادون قرمز و همچنين خطوط انتقال تلفن و ماهواره ها نيز در برخي مواقع مورد استفاده قرار مي گيرند.

1. كابل كواكسيال:

اين خط انتقال از يك هادي استوانه اي پر شده از دي الكتريك و يك هادي مركزي تشكيل شده است. اين واسط انتقال فيزيكي معمولا در اشكال 50،75،91 اهم توليد مي شوند. كه درشبكه هاي 10Mbpsو 100Mbps بخوبي قابل استفاده هستند.

براي مثال شبكه هاي محلي 10 base 5،10 base 2، 10 base T به ترتيب در فواصل 500، 200 و100متر مورد استفاده قرار مي گيرند.

نويز پذيري كابل كواكسيال در مقايسه با انواع مسي ( نظير زوج سيم بهم تابيده) كمتر است. زيرا روكش مناسب تري براي آن استفاده مي شود. بنابراين جهت انتقال در فواصل نسبتا طولاني نيز استفاده مي شوند.

اين كابلها علاوه بر استفاده عمومي در انتقال ديجيتال شبكه هاي محلي (LAN) كه آنرا base bandگويند در ارسال داده هاي آنالوگ آنتن تلويزيون نيز بكار گرفته مي شود.اين نوع انتقال در اصطلاح broad bandناميده مي شود.

2. زوج سيم بهم تابيده:

همچنان كه از نام آن پيداست از بهم تابيدن دو هسته مسي عايق دار تشكيل شده است و در نوع روكش دار يا STP و بدون روكش يا UTP توليد مي شود.درنوع روكش دار، برروي سيم هاي تابيده يك عايق مخصوص پيچيده مي شود كه در نوع بدون روكش تنها به يك روكش از جنس PTC اكتفا شده است.ETA/TIA پنج استاندارد را براي زوج سيم بهم تابيده بدون روكش پيشنهاد مي كند كه عبارتند از:cotegory1 تا cotegory5. نوع اول براي خطوط تلفن در دو رشته ،پيشنهاد و استاندارد شده است. نوع دوم به منظور انتقال داده در سرعت 4 Mbps توسط جهار زوج سيم و نوع سوم تا سرعت 10 Mbps قدرت انتقال داده را دارد و گاهي در شبكه هاي ATM بكار مي رود.

3. فيبر نوري :

انتقال در خطوط فيبر نوري به روش تابش امواج نوري ميان آئينه هاي موجود در فيبر صورت مي گيرد. واضح است كه براي اتصال فيبر به دستگاههاي الكتريكي در ابتدا و انتهاي آن ، مبدل سيگنال الكتريكي به امواج نوري و يا بر عكس آن استفاده مي شودآنچه از ماهيت اين واسط فيزيكي مشخص مي گردد اين است كه تلفات انرژي در اين خطوط بسيار كم است در نتيجه بدون استفاده ازتكرار كننده امكان انتقال تا مسافت طولاني (حدود 10 كيلومتر) وجود دارد. نويز الكترو مغناطيسي بر اين خط بي اثر است و ليكن بيش ازساير خطوط انتقال نياز به محافظت فيزيكي دارد و اسيب پذيري آن بالاتر است.

طراحي و پياده سازي شبكه با استفاده از اين خطوط به نسبت گرانتر وپيچيده تراز ساير واسط هاي انتقال است و نكته قابل توجه در مورد فيبر نوري اين است كه به دليل عدم بروز خطا بر اثرتداخل امواج الكترو مغناطيسي،پروتكل هاي لايه پيوند در اين نوع شبكه ها مي تواند بسيار ساده باشد.

همچنين امكان شنود در آن دشواراست و بهمين دليل كاربرد نظامي دارد.

عوامل موثردر انتخاب واسط انتقال:

در انتخاب واسط انتقال موارد زير حائز اهميت هستند:

1) ميزان نويز پذيري خط انتقال

2) تلفات خط: تلفات ACناشي از اثر پوستي و تلفات دي الكتريك و همچنين تلفات DCناشي ازهدايت خط و نيز تلفات ناشي از نشتي جريان و ولتاژ خط بدليل وجودخازن وسلف توزيع يافته در طول خط را گويند.در كابلها باكيفيت بالا تلفات هدايتي و دي الكتريك در مرتبه هم قرار مي گيرند.

3) هزينه هاي ساخت و نگهداري خط انتقال

4) سادگي

5) پهناي باند خط انتقال با سرعت انتقال داده

6) پشتيباني ازپيشرفت فناوري

5-2 پروتكل ها و استانداردها:

با نگاه كردن به مدل هفت لايه اي ISO، مي توانيد ببينيد كه نرم افزارها و استانداردهاي بسيارزيادي براي انجام اين امور به كار گرفته شده اند.در واقع بحث ايجاد استاندارد ها و قوانين، بحث بسيار وسيع و گسترده اي است،زيرا تقريبا هر گروه و سازماني كه به شكلي درارتباط با اين مسائل فعاليت مي كند، سعي كرده تا روشي بر مبناي روتين ها ي كاري متداول خود ارائه دهد كه نهايتا به تعريف استانداردهاي مختلف و متفاوتي انجاميده است.

اما در سال هاي اخير بحث در مورد مدل هاي استاندارد ارائه شده توسط سازمان هاي معتبري چون ISOياInternational Standard Organization وهمچنين موسسه ديگري به نام CCITTياConsultativeCommittee On International telegraphy and telephonyبسيار جدي شده و مدل هاي قابل قبول اين سازمانها به صورت وسيعي مورد استفاده قرارمي گيرند،در اينجا به شرح مختصري در مورد چند پروتكل مهم خواهيم پرداخت.

استاندارد هاي اترنت (IEEE 802, (Ethernet

در سا ل هاي اخير گرو هي از توليد كنندگان و فروشندگان تجهيزات الكترونيكي شبكه تصميم گرفتند تا استاندارد هاي خاصي را براي شبكه محلي LAN تصويب كرده و ثبت كنند، اين گروه از شركتها نظير DEC,Intel,Xerox تشكيل شده بود و استاندارد توليد شده براي LANبه نام Ethernet،نام گذاري شد.

Ethernet پس از آن به صورت گسترده مورد استفاده عمومي قرار گرفت تا اينكه سازمان IEEE بر آن شد تا انجمني براي مطالعه و بررسي سيستمهاي Ethernet وارائه قوانين و پرو تكل هاي جديد در اين زمينه تشكيل دهد و نام اين انجمن راIEEE 802 قرار دادند.قوانين ارايه شده توسط اين سازمان ها اغلب بر لايه هاي ديتالينك و فيزيكي اعمال مي شود و Ethernetكاربران زيادي در سطح جهان دارد.

پروتكل MAP :

در سال هاي 1980 شركت جنرال موتورز(GM)طي يك بررسي طولاني يكي از بزرگترين مشكلات سيستم خود را نداشتن ارتباط مناسب بين ابزارها،ماشين ها و قطعات مختلف در كارخانه عنوان كرد و جهت رفع اين مشكل برآن شد تا پروتكلي را بين قسمت هاي مختلف برقرار سازد و مشكل ارتباطي خود را بدين ترتيب حل كند.

نام اين پروتكلMAP است كه جهت بر قراري ارتباط بين سيستم هاي كنترل وPLCهاي مختلف سا خت شركت هاي متفاوت بكار مي رود و به اين سيستم ها اجازه مي دهد كه با يکديگر صحبت كنند.

MAPپس از آن بسيار مورد توجه قرار گرفت و نسخه هاي جديد آن مثل:

MAP2.0 MAP2.1, MAP 3.0 نيز به بازار آمدند و پروتكل MAPدر واقع بنيانگذار شبكه هاي محلي صنعتي بودكه امروزه در كارخانجات مورد استفاده قرار مي گيرد.

پروتكل Technical Office Protocol) TOP)

در سالهاي بعداز ابداع پروتكل MAP شركتهاي ديگري در مورد آن نظر دادند و به بحث و توليد استاندارد هاي جديد براي آن پرداختند، از جمله اين شركتها مي توان به شركت هواپيما سازي بوئينگ اشاره كرده كه به دنبال راه حلي مناسب جهت ارتباط كامپيوترهاي دفتر طراحي كه مشغول طراحي هواپيما بودند، مي گشت و از آنجايي كه اين ارتباط بين نرم افزا هاي طراحي مثل CADDيا CAM برقرار مي شد و نوع كار، كاملا دفتري است اين پرو تكل به نام TOPو يا Technical Office protocolشناخته شد.

پروتكل Transmission Control Protocol Internet) ,TCP/IP)

TCP/IP يكي ديگر از استانداردهاي شبكه است كه در حين مطالعه و بررسي شبكه هاي صنعتي در كارخانه ها با آن مواجه خواهيد شد ،اين پروتكل براي لايه هاي 3و4 از مدلISO طراحي شده است.

TCP عمدتا براي لايه انتقال ياTransport طراحي شده و پروتكل Internetبراي لايه شبكه يا Networklayer طراحي شده است.بنابراين هر دو آنها به تجهيزات مختلف از سازندگان متفاوت اجازه بر قراري ارتباط وتبادل اطلاعات را مي دهد.

اين سري از پروتكلها توسط DODيا Department of Defense طراحي و ارائه شده است.

پروتكل System Network Architecture) SNA) :

شركتIBM جهت پشتيباني از محصولات خود كه فروش بسيار خوبي نيز دارد،در سالهاي گذشته اقدام به طراح و ابداع گروهي از استاندارد ها وپروتكل ها نمود.

پروتكل SNA تمام رويه هاي استاندارد مدل ISOرا بجز لايه فيزيكي در بر مي گيرد.

پروتكل Manufacturing Message Specification )MM):

اين پروتكل نيز يك پروتكل استاندارد هفت لايه ايي بر اساس مدل ISOاست كه براي برقراري ارتباط بين دستگاههاي مختلف در شبكه هاي شبيه بهم بكار گرفته مي شود. از انجايي كه سيستمهاي مختلف داراي امكانات و ابزار مختلف و گوناگون هستندبراحتي نمي توانند با يكديگر ارتباط برقرار كنند.پروتكل MMSبراي رفع اين اشكال و پر كردن خلأ موجود در سيستم ارتباطي كارخانه هاابداع كردند كه براحتي مي تواندانتظارات فوق را برآورده سازد.

استاندارد Field bus :

همزمان با اتفاقات فوق و پيشرفت هاي چشمگير صنعت ارتباطات در آمريكا، دراروپا نيز صنعت ارتباطات دچار تغييروتحول اساسي شد و سيستمهاي مشابه سيستمهاي آمريكايي در اروپا به بازار آمدند.

استانداردهاي اروپا از يك سيستم بنام فيلدباس استفاده مي كنند كه بسيار شبيه به مدل هفت لايه ISO است و از يك مدل استاندارد پنج لايه اي جهت انجام امور استفاده مي كند.اين استاندارد با تركيب لايه هاي فيزيكي و ديتالينك به استاندارد هاي ديگري به نام

DINV 19245 TI.DINكه گروهي از استانداردهاي آلماني هستند.

مدل هفت لايه ايي به شش لايه اي و سپس با تركيب لايه هاي Session،Presentationو همچنين قسمت انتهايي لايه Application به يك لايه تحت عنوان APمدل خود را تكميل كرده و شروع به كار مي كند.

استاندارد Profibus:

يك استاندارد براي شبكه هاي صنعتي و ارتباط بين شبكه ها است كه توسط شركت زيمنس در اروپا طراحي شد و تحت استاندارد فيلد باس به ثبت رسيد .شركت زيمنس در سالهاي اخير تعدادي از سيستمهاي كنترل شركتهاي آمريكايي مثلTexas Instrumentرا خريداري كرد و سعي در برقراري ارتباط بين سيستمهاي خود و نمونه هاي آمريكايي داشت و از آنجايي كه نيرو و دانش فني بسيار خوبي براي انجام طراحي در زمينه سخت افزار و نرم افزار در اختيار داشت اقدام به ارائه استانداردجديديبه نام Profibus نمود.