بررسی و مقایسه تخصصی پروتکل‌های ارتباطی سریال، اترنت، وایرلس و فیلدباس در سامانه‌های صنعتی

مقدّمه

در سیستم‌های صنعتی مدرن و با توجه به پیشرفت‌های روزافزون در صنعت و اتوماسیون، برقراری ارتباط موثر بین سیستم‌ها و دستگاه‌های مختلف اهمیت زیادی یافته است. این ارتباطات باید از سرعت، امنیت، و قابلیت اطمینان بالایی برخوردار باشند. در این راستا، پروتکل‌های ارتباطی گوناگونی برای انتقال داده‌ها طراحی شده‌اند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. پروتکل‌های Serial، Ethernet، Wireless و Fieldbus از جمله پروتکل‌های رایج هستند که در صنایع مختلف به‌کار گرفته می‌شوند.

این مقاله به بررسی این چهار پروتکل ارتباطی پرکاربرد در صنعت پرداخته و ویژگی‌ها، مزایا و معایب هر یک را در کاربردهای مختلف صنعتی و محیطی بررسی خواهد کرد. هدف از این مقاله، آشنایی با این پروتکل‌ها و مقایسه آن‌ها در جهت کمک به انتخاب مناسب‌ترین روش ارتباطی برای نیازهای گوناگون صنعتی است.

معرفی پروتکل‌ها و کاربردهای آن‌ها در صنایع و محیط‌های گوناگون:

پروتکل سریال (Serial)

ارتباط سریال یکی از قدیمی‌ترین روش‌های انتقال داده در سیستم‌های اتوماسیون است. پروتکل‌های سریال به پروتکل‌هایی گفته می‌شود که برای انتقال داده‌ها به‌صورت بیت‌به‌بیت و معمولاً از طریق یک مسیر ارتباطی تک‌نقطه‌ای یا چندنقطه‌ای استفاده می‌کنند. از معروف‌ترین استانداردهای سریال در لایه فیزیکی می‌توان به RS-232 و RS-485 و در لایه کاربردی به Modbus RTU اشاره نمود.

ویژگی‌ها

• انتقال داده‌ها از طریق یک یا چند سیم
• سرعت پایین تا متوسط، از چند کیلوبیت بر ثانیه تا 10Mbps
• ساده و مقرون‌به‌صرفه در نصب و راه‌اندازی

مزایا

• هزینه پایین در پیاده‌سازی
• سادگی نصب و عیب‌یابی
• امکان استفاده از چندین دستگاه در شبکه (در حالت RS-485)
• مناسب برای فواصل کوتاه و محیط‌هایی با نویز کم

معایب

• محدودیت در مسافت‌های طولانی
• سرعت پایین نسبت به پروتکل‌های دیگر
• پشتیبانی محدود از توپولوژی‌های پیچیده
• عدم انتقال همزمان داده‌های حجیم

کاربردها

• سیستم‌های کنترل صنعتی مانند PLC، سنسورها، محرک‌ها، درایورها و HMI
• ارتباطات در دستگاه‌های اندازه‌گیری آزمایشگاهی
• سیستم‌های با معماری متمرکز

پروتکل اترنت (Ethernet)

اترنت یکی از محبوب‌ترین پروتکل‌های ارتباطی است که به شبکه‌های محلی (LAN) برای انتقال داده‌ها بر اساس IEEE 802.3 اشاره دارد. این پروتکل معمولاً برای ارتباط در مسافت‌های کوتاه و در شبکه‌های مقیاس‌پذیر و با پهنای باند بالا طراحی شده است و در قالب پروتکلهایی مانند Ethernet TCP، EtherNet/IP و Modbus TCP به یکی از رایجترین بسترهای ارتباطی در صنعت تبدیل شده است.

ویژگی‌ها

• سرعت‌های بالا از 10Mbps تا 1Gbps و بالاتر
• پشتیبانی از توپولوژی‌های متنوع
• استفاده از آدرس MAC برای شناسایی دستگاه‌ها در شبکه

مزایا

• سرعت و ظرفیت انتقال بالا
• امکان اتصال به شبکه‌های IT(شبکه‌های اداری و تحلیلی) و OT(شبکه‌های کنترل صنعتی) به صورت یکپارچه
• قابلیت مدیریت و نظارت بر شبکه از طریق سوئیچ‌ها و روترها

معایب

• نیاز به تنظیمات پیچیده‌تر نسبت به Serial
• نیاز به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت
• نیاز به پیکربندی و نگهداری پیچیده
• محدودیت در اتصال به دستگاه‌هایی که تنها به‌صورت سریال یا دیگر پروتکل‌ها طراحی شده‌اند.

کاربردها

• سیستم‌های کنترلی پیشرفته مانند SCADA، PLC و پایش داده در مقیاس بزرگ
• سیستم‌های اتوماسیون صنعتی با نیاز به انتقال سریع داده
• شبکه‌های پردازشی پیچیده مانند دوربین‌های مداربسته تحت شبکه
• کنترل و نظارت بر خطوط تولید صنعتی با نیاز به پهنای باند بالا

پروتکل وایرلس (wireless)

ارتباط بی‌سیم (Wireless) به مجموعه‌ای از فناوری‌ها گفته می‌شود که انتقال داده‌ها را بدون نیاز به کابل از طریق امواج رادیویی انجام می‌دهند. این پروتکل‌ها شامل Wi-Fi، Bluetooth، ZigBee و LoRa هستند.

ویژگی‌ها

• نصب آسان بدون نیاز به کابل کشی
• نرخ داده از چند کیلوبیت (LoRa) تا چند گیگابیت بر ثانیه (Wi-Fi)
• حساسیت به تداخل امواج و نیاز به مدیریت امنیت

مزایا

• انعطاف‌پذیری بالا
• مناسب برای محیط‌های متحرک یا پرتردد
• مقیاس‌پذیری و سهولت در اضافه کردن دستگاه‌ها به شبکه

معایب

• آسیب‌پذیری در برابر تداخل رادیویی
• حساسیت به نویز الکترومغناطیسی
• مصرف انرژی در دستگاه‌های باتری‌دار
• محدودیت در برد و ظرفیت اتصال همزمان
• احتمال کاهش امنیت داده‌ها در صورت عدم رمزنگاری مناسب

کاربردها

• اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT/IoT) و شبکه‌های سنسوری
• ارتباطات در محیط‌های سخت یا متحرک
• اتصال بی‌سیم در محیط‌های خانگی و تجاری برای دستگاه‌های مختلف

پروتکل فیلدباس (Fieldbus)

فیلدباس یک پروتکل ارتباطی استاندارد برای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی است که برای ارتباط بین تجهیزات فیلدی (سنسورها، اکچویتورها) و کنترل‌کننده‌ها طراحی شده است. نمونه‌هایی از این پروتکل‌ها عبارتند از PROFIBUS ،MODBUS ،INTERBUS و CAN که با هدف جایگزینی با کابل کشی‌سنتی طراحی شده‌اند.

ویژگی‌ها

• پشتیبانی از ارتباطات توزیع‌شده و چندنقطه‌ای
• زمان‌بندی قطعی و همگام‌سازی دقیق داده‌ها
• پشتیبانی از عیب‌یابی و تشخیص خطا

مزایا

• امکان کنترل دقیق و همزمان داده‌های فرآیندی
• امکان انتقال همزمان داده و توان در برخی استانداردها
• طراحی مقاوم در برابر نویز برای محیط‌های صنعتی سخت
• استفاده از تجهیزات صنعتی مقاوم
• قابلیت تشخیص و اصلاح مشکلات شبکه در سطح دستگاه‌ها

معایب

• پیچیدگی بالا در پیکربندی و نصب
• هزینه نسبی بالاتر نسبت به برخی پروتکل‌های ساده‌تر
• محدودیت در مقیاس‌پذیری نسبت به سایر پروتکل‌ها مانند Ethernet

کاربردها

• صنایع فرایندی مانند نفت، گاز و پتروشیمی
• اتوماسیون خطوط تولید با نیاز به دقت بالا
• سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) در صنایع پیچیده

نتیجه‌گیری

در این مقاله به بررسی چهار پروتکل ارتباطی مهم در دنیای اتوماسیون صنعتی پرداخته شد: Serial، Ethernet، Wireless و Fieldbus. هر یک از این پروتکل‌ها ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند و بسته به نیازهای مختلف صنعتی باید انتخاب شوند. انتخاب بستر ارتباطی مناسب در طراحی سامانه‌های صنعتی باید بر اساس نوع کاربرد، شرایط فیزیکی، هزینه مجاز و نیاز به سرعت و امنیت صورت گیرد.

پروتکل سریال به دلیل سادگی و هزینه پایین در کاربردهای ساده و سیستم‌های کوچک و کم‌هزینه مناسب است. اترنت به دلیل سرعت بالا، مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری، گزینه‌ای ایده‌آل برای شبکه‌های صنعتی بزرگ است که نیاز به سرعت انتقال داده بالا دارند. وایرلس نیز به دلیل امکان برقراری ارتباط بدون کابل، برای محیط‌های پرتحرک یا پروژه‌هایی که دسترسی به کابل‌کشی دشوار است، بسیار مفید است. فیلدباس در محیط‌هایی که نیاز به دقت بالا در زمان‌بندی و تبادل داده‌های فرآیندی دارند، مانند صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، کاربرد بسیاری دارد. انتخاب پروتکل مناسب باید بر اساس نیازهای خاص پروژه‌ها و محدودیت‌های موجود در محیط عملیاتی صورت گیرد.