دانلود تحقیق کامل درمورد اتوماسیون صنعتی و شبکه های ارتباطی

اختصاصی از فی ژوو دانلود تحقیق کامل درمورد اتوماسیون صنعتی و شبکه های ارتباطی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 74

اتوماسیون صنعتی و شبکه های ارتباطی

خلاصه

پیشرفت فن آوری اینترنت و شبکه های ارتباطی در دهه های اخیر ایجاب می نماید تا به لزوم بکارگیری شبکه های ارتباطی در صنعت و در این راستا شبکه ای کردن دستگاهها و سنسورهای صنعتی بپردازیم.

در این مقاله نگاهی اجمالی به اتوماسیون صنعتی و نقش شبکه های ارتباطی در توسعه صنعت داریم . در ابتدا با بیان تاریخچه اتوماسیون صنعتی , به ذکر اطلاعات پایه اعم از سطوح سلسله مراتبی اتوماسیون صنعتی و پروتکل MAP ( پروتکل اتوماسیون صنعتی) می پردازیم.

در ادامه ملزومات اساسی طراحی و ارتباطات قسمتهای مختلف یک شبکه صنعتی شرح داده می شود و با اشاره به توسعه شبکه های ارتباطی به نقش ارزنده اتصال دستگاهها و سنسورها در دنیای صنعت می پردازد .

انواع شبکه های صنعتی با ذکر محاسن و معایب هر یک بررسی شده و نشان می دهد که چگونه می‌توانیم شبکه های سرعت بالا مانند Ethernet را با شبکه های سطح پایین تر (‌مانند : Fieldbus) جهت افزایش کارایی ترکیب نمود و همچنین اهمیت استفاده از پردازنده ها و رابطهای کامپیوتری در مدیریت هرچه بیشتر اطلاعات تبادلی و chip های از قبل برنامه ریزی شده (‌Asic) شرح داده می‌شود. در پایان با بیان پیشنهادهایی جهت طراحی یک شبکه ارتباطی در صنعت به کار خود خاتمه می‌دهد.

مقدمه

هنگامیکه در دهه شصت تکنولوژی های اتوماسیون دیجیتال در دسترس قرار گرفت از آنها جهت  بهبود و توسعه سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده شد . مفاهیمی مانند : صنایع خودکار[1](CIM) و سیستمهای کنترلی خودکار توزیعی [2](DCCS), در زمینه اتوماسیون صنعتی معرفی گردید و کاربرد شبکه های ارتباطی تقریبا“‌ رشد قابل توجهی نمود.

کاربرد سیستمهای اتوماسیون صنعتی گسترش پیدا کرد بطوری که تعدادی از مدلهای دیجیتالی آن برای شبکه های ارتباطی جهت جمع آوری اطلاعات و عملیات کنترلی سطح پائین (سطح دستگاهای عمل کننده) با هم در ارتباط بودند.

در یک سیستم مدرن اتوماسیون صنعتی ,‌ ارتباط داده ها بین هر یک از دستگاههای اتوماسیون  نقش مهمی ایفا می کند , هدف از استانداردهای بین اللملی برقراری ارتباط بین همه دستگاههای مختلف اتوماسیون است. از این رو کوششهائی جهت استانداردسازی بین المللی در زمینه شبکه ها صورت گرفت که دستاورد مهم آن  پروتکل اتوماسیون صنعتی (MAP) در راستای سازگاری سیستم های ارتباطی بود. پروتکل MAP  جهت غلبه بر مشکلات ارتباطی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون گسترش پیدا کرد و بعنوان یک استاندارد صنعتی جهت ارتباطات داده ای در کارخانه ها پذیرفته شد .

عملکرد و قابلیت اطمینان یک سیستم اتوماسیون صنعتی در حقیقت به شبکه ارتباطی آن بستگی دارد.

در یک شبکه ارتباطی اتوماسیون صنعتی ,‌ بهبود عملکرد شبکه وقابلیت اطمینان آن و استاندارد بودن ارتباطات با توجه به اندازه سیستم و افزایش حجم اطلاعات تعیین می گردد.

یک شبکه ارتباطی جهت یک سیستم اتوماسیون صنعتی باید دارای شرایط زیر باشد :

1 -  قابل استفاده بودن شبکه 2 - ‌ توان عملیاتی مناسب شبکه  3- ‌میانگین تاخیر انتقال اطلاعات قابل قبول.

به علاوه عوامل موثر بر عملکرد صحیح یک سیستم اتوماسیون صنعتی می تواند شامل موارد زیر باشد:

1 - ارزیابی کارایی یک شبکه ارتباطی توسط یکی از روشهای شبیه سازی یا تحلیلی.

2 - مطالعه کارایی شبکه در یک محیط نویزی .( نویز حاصل از روبوتهای جوشکاری و موتورهای بزرگ و غیره )

3 – تنظیم صحیح پارامترهای ارتباطی  شبکه . در یک سیستم اتوماسیون صنعتی شبکه ارتباطی یک جز مهم می باشد. زیرا عهده دار تبادل اطلاعات است. بنابراین جهت دست یافتن به مقادیر صحیح بایستی اتصالات ارتباطی بین ایستگاههای مختلف شبکه ارتباطی  بدرستی صورت گرفته باشد.

سطوح سلسله مراتبی سیستم های اتوماسیون صنعتی

سیستم های اتوماسیون صنعتی می توانند خیلی مجتمع و پیچیده باشند  ولی عموما“ به سطوح سلسله مراتبی ساختار بندی می شوند. هر سطح شرایط متفاوتی در شبکه ارتباطی دارد .

سطح Element

سطح فیزیکی اتوماسیون شامل دستگاها و سنسورهای عمل کننده است که پردازش های فنی را انجام می دهند.

سطح فیلد Field Level

پایین ترین سطح اتوماسیون سطح Field است که شامل دستگاههای کنترلی مانند [3]PLC و[4] CNC است. دستگاههای فیلد اصلی معمولا ‌“ طبقه بندی شده اند ,‌کار دستگاهها در سطح فیلد انتقال اطلاعات بین پروسه تولید محصول و پردازش های فنی است .اطلاعات ممکن است باینری یا آنالوگ باشد .

جهت ارتباط سطح فیلد معمولا“ از کابلهای چند رشته ای موازی و رابطهای سریال استفاده می شود . استانداردهای ارتباطی سریال مانند:RS232C , RS422   و RS485 و نوعهای عمومی دیگر با استاندارد ارتباطی موازی IEEE488  با هم استفاده می شود.

روشهای ارتباطی [5]نقطه به نقطه در شبکه ارتباطی از لحاظ قیمت کابل کشی و کیفیت ارتباط مقرون به صرفه بودند. امروزه Field Bus (یک نوع شبکه صنعتی) اغلب برای انتقال اطلاعات در سطح فیلد بکار می رود .از آنجاییکه در یک فرایند اتوماسیونی زمانبندی درخواستها باید بطور دقیق اجرا شود, برنامه های کنترل کننده های این سطح عملیات انتقال چرخشی نیاز دارند که اطلاعات را در فواصل زمانی مشخص انتقال دهند و اطلاعات تعیین شده را برای کم کردن زمان انتقال به قسمتهای کوچکتر تقسیم کنند.

سطح Cell (Cell Level)

در سطح Cell  جریان داده ها اساسا“  شامل : بارگزاری برنامه ها ‚ مقادیر و اطلاعات است که در طول فرایند تولید انجام می شود.

جهت دستیابی به درخواستهای ارتباطی در این لایه از ‌شبکه های سرعت بالا استفاده می شود. بعد از تعریف اصطلاحات CIM و Dccs بسیاری از شرکتها قابلیتهای شبکه هایشان را جهت سطحCell  سیستم اتوماسیون افزایش دادند

Ethernet[6]  همراه با [7]TCP/IP بعنوان یک استاندارد واقعی برای این سطح مورد قبول واقع شد هرچند نتوانست یک ارتباط وابسته به زمان ( Real-Time )  را فراهم کند.

سطح Area  (Area Level)

در سطح Area , Cell  ها گروه بندی شده و توسط یک برنامه عملا“ شبیه سازی و مدیریت می‌شوند . توسط لایه Area , عملکرد کنترل کننده ها بررسی شده و فرایند و اعمال کنترل کننده‌ای مانند : تنظیمات تولید ‚ خاموش و  روشن کردن ماشین و فعالیتهای ضروری تولید می شود.

سطح Plant  (Plant Level)

بالاترین سطح یک سیستم اتوماسیون صنعتی است که کنترل کننده آن اطلاعات مدیریتی سطح Area را جمع آوری و کل سیستم اتوماسیون را مدیریت می کند.

وسیله  انتقال

معیار اصلی در انتخاب یک شبکه ارتباطی ,‌ سیستم کابل بندی فیزیکی یا وسیله انتقال است. که اغلب کابلهای کواکسیال یا Twisted می باشد. فن آوری های فیبر نوری و بی سیم هم به تازگی استفاده می شوند.

کابل کواکسیال جهت انتقال سریع داده در مسافتهای چندین کیلومتری استفاده می شود که عموما ‌“ در دسترس بوده و قیمت نسبتا“  پائینی دارد و به آسانی نصب و نگهداری می شود برای همین در شبکه های ارتباطی صنعتی زیاد استفاده می شود.

کابل Twisted Pair ( زوج به هم تابیده) جهت انتقال اطلاعات با سرعت چندین مگابایت در ثانیه برروی مسافتهای 1 کیلومتر یا بیشتر استفاده می شود اما همین که سرعت افزایش می یابد حداکثر طول کابل کاهش می یابد. این کابل سالهاست که در شبکه های ارتباطی صنعتی استفاده می شود و از کابل کواکسیال ارزانتر است اما ظرفیت انتقال بالا ئی ندارد و نسبت به امواج الکترومغناطیسی آسیب پذیر است.

کابل فیبر نوری مقاوم در برابر امواج الکترومغناطیسی بوده و دارای ظرفیت انتقال داده بالایی در حد گیگا بایت است. هرچند که تجهیزات آن گران و بکاربردن آن برای ارتباطات چند منظوره مشکل ترمی باشد ولی باعث انعطاف پذیری بیشتر می شود. استفاده از Wireless نیز در بسیاری از کارهای موقتی و موبایلی بهترین راه حل است که زیاد استفاده می شود.

روشهای انتقال

انتقال اطلاعات می تواند بصورت دیجیتال یا آنالوگ باشد , مقادیر داده ای آنالوگ دائما ‌“ تغییر می کند ولی در ارتباط دیجیتال مقادیر داده فقط می تواند شامل 0 یا 1 باشد.

فرستنده اطلاعات می تواند خود را همزمان یا غیر همزمان نماید که بستگی به مسیر ارسال اطلاعات دارد. در روش انتقال همزمان کاراکترها با استفاده از کدهای Start , Stop  ارسال می شوند و هر کاراکتر می تواند مستقلا ‌“ و با سرعت یکنواخت ارسال شود.

روش ارسال همزمان روش کارآمدتری می باشد زیرا اطلاعات در بلوکهایی از کاراکترها ارسال می شود و مسیر صحیح و زمان رسیدن هر بیت قابل پیش بینی است زیرا زمان ارسال و دریافت با هم همزمان (‌هماهنگ) هستند. روشهای ارسال در شبکه های ارتباط صنعتی شامل Base Band و Broadband  و Carrier Band می باشد در روش Base Band ارسال توسط مجموعه ای از سیگنالها صورت می گیرد بدون تبدیل شدن به فرکانس ولی در Broadband داده ها بصورت رنجی از فرکانسها که در یک کانال تقسیم می شوند ارسال می شوند.  در روش Carrie Band فقط از یک فرکانس جهت ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می شود.

پروتکل  MAP

شبکه های ارتباطی جهت اتوماسیون صنعتی توسعه یافتند .تا قبل از آن اغلب شرکتها از شبکه های ارتباطی خصوصی خودشان جهت انجام کارها استفاده می کردند, ولی زمانی که اتوماسیون صنعتی برای اولین بار آمده بود پایه ای برای سایر محصولات سیستم های کنترلی شد .بطوریکه سیستم های اتوماسیون گسترده شده و از محصولات مختلف با یکدیگر متصل شدند. اما مشکل بزرگی که بر سر راه اتوماسیون صنعتی قرار داشت این بود که آنها دریافتند در یک شبکه, اتصال تجهیزات از نوعهای مختلف به یکدیگر خیلی گران و مشکل است  .

 بعنوان نمونه در اواخر دهه 1970 شرکت ژنرال موتور متوجه شد که بیشتر از نیمی از بودجه اتوماسیون صرف بکارگیری رابطهای سفارشی بین دستگاههای مختلف اتوماسیون شده است به علاوه اغلب دستگاههای مورد استفاده در آن زمان قادر به برقراری ارتباط شبکه ای با محیط بیرونی خود نبودند, وضعیت مشابهی نیز در شرکت Boeing موقعی که آنها در نظر گرفتند چندین مرکز اطلاعاتی مختلف را بهم متصل کنند بوجود آمد. کامپیوترهای مختلفی از بیش از 85 محصول متفاوت با هم در ارتباط بودند . این دو تجربه یک تصویر روشن از جهان ارتباطی در یک نمونه صنعتی بود و شرکتهای GM و Boeing را وادار به یافتن راه حل کرد تا اینکه در پروژه پروتکل اتوماسیون صنعتی (MAP) نتیجه داد.

اولین نسخه MAP فقط یک محصول با ویژگیهای خاص بود که در پائیز 1982 پذیرفته شد. زیربنا گروه استفاده کنندگان MAP در سال 1984 نقطه عطفی در تاریخ MAP برجای گذاشت برای اینکه با پشتیبانی عظیم صنعتی جهت استاندارد کردن مواجه شد.

در سال 1984 نمایشی ساخته شد که امکان استفاده از شبکه MAP را در نسخه اول آن (MAP 1.0) نشان داد. در سال 1985 نسخه جدید آن (MAP 2.0)  منتشر شد‚‌ این نسخه جدید مدل مرجع OSI را برای سطوح  پائین تر خود پذیرفت.

نسخه اول MAP که کاربردهای تجاری داشت MAP 2.1 بود. این مدل پروتوکل هایی را که در نسخه قبلی وجود نداشت در خود جای داد و در سال 1985 در نمایشگاه Auto fact به نمایش گذاشته شد. تا قبل از بوجود آمدن نسخه 2.1 ویژگی خاص MAP تنها این بود که شبکه های ارتباطی را به وسایل اتوماسیون در سطح بالاتر در ساختار سلسله مراتبی سیستم ها ی اتوماسیون مرتبط می ساخت.  هدف از MAP 2.2 فراهم کردن روشهایی برای ایجاد شبکه های ارتباطی با کارایی بالا در سیستم های اتوماسیون بود.  نسخه 3.0 آن در سال 1988 در نمایشگاه ENE در Baltimore  به نمایش گذاشته شد که اولین نسخه ثابت بود, بحث بر سر موضوع MAP بر پایه همین نسخه خواهد بود.

نقشه پروتکل Full-Map نشان داده شده در شکل زیر شامل یک 7 لایه ای کامل [8]OSI است. Full Map قابلیت انعطاف زیادی برای ایستگاههای ارتباطی دارد

ملاحظات طراحی :

طراحی شبکه ارتباطی از لحاظ دقت و ارزیابی متفاوت از سایر طراحی ها می باشد. طراحان جهت رسیدن به بالاترین کارایی شبکه با قیمت مناسب در تلاش هستند و جهت رسیدن به این هدف بایستی تجهیزات ارتباطی و ملاحظات طراحی برای یک سیستم اتوماسیون بررسی شود.

تعیین استراتژی کلی مهمترین قدم در طراحی شبکه ارتباطی است. سیستم اتوماسیونی که از شبکه ارتباطی استفاده خواهد کرد بایستی بررسی شده و اهداف شبکه ارتباطی آن احراز شود.

موارد اصلی که در طراحی یک شبکه باید لحاظ شوند عبارتند از : هزینه , کارایی , قابلیت اعتماد و در دسترس بودن ,‌ سرویس یا عملکرد شبکه , تحمل پذیری محیط , وسیله انتقال ,‌قابلیت توسعه , نگهداری و امنیت.

هزینه COST

هزینه شبکه کردن به دو هزینه اولیه و اجرائی تقسیم می شود. هزینه اولیه شامل: خریداری نرم افزار, ‌سخت افزار ,‌طراحی ,‌نصب و شروع بکار است و هزینه اجرائی , نگهداری سخت افزار و نرم افزار ,‌ پرداخت دستمزد و هزینه های عیب یابی شبکه ,‌توسعه و تنظیم تغییرات شبکه می باشد.

عملکرد(کارایی) Performance

عملکرد مناسب در یک شبکه ضروری است و بدون آن فعالیتهای ارتباطی نرمال مختل می شود و برنامه های کنترل پردازش , مدام درخواست اجرای محاسبه کرده و مدار تولید دچار مشکل می شود.

در یک برنامه ریزی موثر بایستی حداقل یک برآورد از درخواستهای اجرائی داشته باشیم. بارگزاری و سرعت شبکه فاکتورهای اصلی در تجزیه و تحلیل عملکرد شبکه هستند. تحلیل و تعریف برنامه های شبکه همچنین عملکرد و تعیین ترافیک ارتباطات نیز از موارد مهم هستند.

عوامل تعیین کننده عملکرد شبکه های ارتباطی عبارتند از:

1 - Transmission Speed: سرعت انتقال شبکه (میزان انتقال بیتهای اطلاعاتی برروی کابل شبکه است).

2 - Response Time: زمان پاسخ, زمانی است که صرف پاسخ به عمل اجرائی یک کاربر یا برنامه هایی که درخواستی را ارسال می کنند می شود. همچنین شامل زمانی است که سیستم های دریافت و ارسال کننده صرف پردازش درخواست و پیغام پاسخ می کنند همچنین زمانی که صرف تاخیر انتقال اطلاعات در شبکه  می شود.

3 - Utilization: ابزار Bandwidth به استفاده از حداکثر ظرفیت (پهنای باند) اشاره دارد و معمولا“ بصورت نمودار نشان داده می شود. در ارتباط با حداکثر ظرفیت شبکه ارتباطی اصول واضحی وجود ندارد.

4 - Throughput: توان عملیاتی یک شبکه ارتباطی, نسبت تعداد بیتهای اطلاعاتی به واحد زمان جهت انتقال است.

قابلیت اعتماد و در دسترس بودن Reliability Or Availability

قابلیت اعتماد یک وسیله یعنی احتمال اینکه یک وسیله مطابق با ویژگیهایش در یک دوره زمانی عمل خواهد کرد. و طریقه معمول تعیین قابلیت اعتماد یک وسیله MTBF نامیده می شود (Mean Time Between Failure).

قابلیت دسترسی یک وسیله ‌ مدت زمانی است که انتظار می رود وسیله در این مدت عملکرد کاملی داشته باشد. قابلیت دسترسی می تواند توسط MTBF و MTTR(Mean Time To Repair a Fault ) نشان داده شود.

AvailabilityA= MTBF                                                          

MTBF+MTTR                                                   

دست یافتن به بالاترین قابلیت دسترسی یک شبکه ارتباطی با تشخیص و رفع بموقع خطاها امکان پذیر است بنحوی که طراح شبکه بتواند در صورت بروز سیگنالهای خطا در قسمتی از شبکه بلافاصله خطوط و یا دستگاههای پشتیبان را برای نقاط بحرانی جایگزین کند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید